Помоги проекту - поделись книгой:
* * *
Примерно таким же образом в слуховом аппарате человека решается задача анализа звуков сложной формы. Каждый такой звук можно представить себе как сумму каких-то более простых составляющих, своего рода «кубиков», которые, если их сложить, во всех тонкостях воспроизведут определенный сложный звук. Роль таких составляющих могут играть звуки различной частоты и силы, имеющие определенную, желательно, конечно, простую, форму кривой. Но какую форму лучше выбрать для наших составляющих? «Треугольную», «квадратную», «двугорбую»? Ведь для измерения объема гранитной глыбы в качестве составляющих можно было бы использовать шары, параллелепипеды, октаэдры и многие другие формы. Но мы выбрали куб, потому что его объем измерить проще всего. А из чего исходить при выборе формы кривой для звуковых составляющих? Какая форма окажется наиболее удобной?
Решать эту задачу не придется — ее уже решила сама природа. Она выбрала синусоидальную форму.
Синусоида — это кривая, которую легко получить в результате довольно простых тригонометрических построений — она является графиком определенных тригонометрических зависимостей. Но этим не ограничивается значение синусоиды. С ней связан целый ряд важнейших процессов, например таких, как излучение света, колебания маятника, генерирование переменного тока. Если вы построите графики, которые описывают эти, а также многие другие явления, то во всех случаях получите одну и ту же кривую — синусоиду.
Чем же объясняется такая универсальность синусоиды? Какие общие черты различных процессов отражает она?
К сожалению, мы с вами не можем подробно останавливаться на этом интересном вопросе и вынуждены ограничиться лишь общими положениями. Синусоиду называют гармонической кривой, и этим сказано многое. Она действительно очень гармонична, не имеет каких-либо разрывов, скачков, неожиданных изменений или, наоборот, монотонных ровных участков. Вначале кривая резко нарастает, но затем постепенно «устает» и рост ее все заметнее тормозится. Наконец, все силы иссякли — остановка, кривая достигла наибольшего значения. Это так называемая амплитуда, после которой сразу же начинается отступление — кривая идет вниз. Сначала медленно, как бы сопротивляясь, а затем все быстрее и с максимальной скоростью проскочив нулевое значение, попадает в отрицательную область. Здесь все повторяется сначала: постепенный рост (но теперь уже отрицательных значений), амплитуда, отступление и опять переход через нуль в положительную область.
Отмеченное нами на «житейском» языке достоинство синусоиды — ее гармоничность, имеет четкие математические обоснования. Можно строго доказать, что синусоидальный, гармонический характер изменения является наиболее простым, наиболее естественным для самых различных физических процессов, точно так же, как прямая линия определит кратчайшее расстояние между двумя точками в любых ситуациях, на любых геометрических объектах.
В нашем слуховом аппарате имеется довольно сложная система, которая сразу же расчленяет любой звук сложной формы на простейшие синусоидальные, или иначе, гармонические составляющие. Совершенно ясно, что для разных звуков будет получаться различный спектр, или, проще говоря, различный набор этих составляющих, подобно тому, как в предыдущем примере каменные глыбы различной формы должны быть представлены разными наборами кубов и кубиков. В частности, будут получаться синусоидальные составляющие с разными частотами, разным соотношением амплитуд. Вот простой, точнее, сознательно упрощенный пример.
Уже знакомый нам звук «ля», если он исполнен на флейте, содержит гармонические составляющие с частотами 440, 880 и 1320 гц, причем амплитуды этих составляющих имеют следующие соотношения — 1:0, 5:0,1. Последнее означает, что амплитуда второй синусоидальной составляющей в 2 раза, а третьей в 10 раз меньше, чем амплитуда первой. Тот же звук, если его получить от кларнета, состоит из таких же по частоте составляющих, но уже с другим соотношением амплитуд, например 1:0, 2:0,01. Гитара даст более широкий спектр — в нем будет уже 5 составляющих — кроме указанных выше трех частот, можно будет обнаружить еще 1760 и 2200 гц. Короче говоря, главное отличие одних звуков от других точно отражается в их спектре — в количестве синусоидальных составляющих, в их частотах и амплитудах (рис. 11, д, с, ж).
Обратите внимание на то, что в нашем примере частоты синусоидальных составляющих кратны основной частоте — частоте звука «ля». Это весьма типичное явление, с которым можно встретиться в подавляющем большинстве случаев. Составляющие с кратными частотами называют гармониками и нумеруют в зависимости от соотношения частот. Так, частота 440 соответствует первой гармонике, 880 — второй, 1320 — третьей и т. д. Одним словом, номер гармоники показывает, во сколько раз ее частота больше, чем частота основного колебания, то есть того звука, который мы стараемся представить в виде суммы гармоник.
Из всего, что мы говорили, можно сделать очень важный вывод. Для того чтобы создать копию какого-либо звука, нужно создать звук с кривой той же формы, или, иначе, с таким же спектральным составом. Наш слуховой аппарат, куда входит также и «быстродействующая счетная машина», — особый отдел мозга, ведающий слуховыми восприятиями и анализом звуков, не только с высокой степенью точности разделяет любой звук на гармонические составляющие, но и сразу же производит анализ полученного спектра — определяет частоты составляющих и соотношение их амплитуд. Таким образом мы и различаем отдельные сложные звуки.
Для характеристики возможностей нашего слуха приведем несколько цифр. Мы отличаем синусоидальные составляющие уже в том случае, когда их частоты разнятся всего на несколько десятых долей процента. Например, установлено, что при звуке средней громкости человек может отличить частоты 997 и 1003 гц от частоты 1000 гц. Наш слух воспринимает звуки самой различной громкости. В частности, самый сильный звук, который мы в состоянии выдержать и который находится на самом пороге «болевого ощущения», и самый слабый звук, который мы уже едва улавливаем, по своей мощности отличаются один от другого в миллиарды раз. А вот характеристика чувствительности — мы слышим такие слабые звуки, которые создают давление на барабанную перепонку с силой всего 0,00000003 грамма! Под действием этих звуков сама барабанная перепонка колеблется с «размахом» не более одной десяти миллионной доли миллиметра!
Вся эта изумительная по точности и чувствительности система появилась в результате многовековой эволюции. Она позволяет человеку хорошо ориентироваться в окружающем мире, собирать о нем много ценной информации.
И все же несмотря на очень высокую чувствительность нашего звукового приемника, он не позволяет людям поддерживать непосредственную связь друг с другом на расстояниях больше, чем несколько сот метров, а иногда, например возле бурного водопада или на перроне метрополитена, и нескольких десятков сантиметров. Происходит это потому, что звуковые волны по мере продвижения вперед очень быстро затухают, теряют свою энергию. Кроме того, услышать слабый звук нам, как правило, мешают разные посторонние шумы. И, наконец, скорость звука слишком мала даже для масштабов нашей, как сейчас любят говорить, маленькой планеты. Если бы и удалось построить линию дальней акустической связи, то даже короткий разговор по такой линии занял бы несколько дней, а то и несколько месяцев. Так, москвич, разговаривая с жителем Владивостока, мог бы получить ответ на свой вопрос только через двадцать часов.
Когда думаешь о недостатках линий акустической связи, почему-то вспоминается, как охрип Бывалов — один из героев кинокомедии «Волга-Волга». Он пытался с берега разговаривать с пассажирами застрявшего посреди Волги парома и так громко кричал, что очень быстро сорвал голос. Непосредственная звуковая связь уже при сравнительно небольших расстояниях становится невозможной.
Разговор через переводчика
Итак для передачи сообщений на большие расстояния звуковые волны непригодны. Во-первых, они слишком быстро растрачивают свою энергию, во-вторых, двигаются слишком медленно. Оба эти недостатка легко устраняются в линиях электрической связи, где переносчиком сообщений является электрический ток.
Простейшим представителем систем электросвязи может служить уже знакомый нам карманный фонарик. Установите батарейку и выключатель у себя на столе, а лампочку с помощью длинных проводов введите в комнату к своему товарищу, и действующая модель телеграфа готова. Стоит вам замкнуть выключатель, как в другой комнате тотчас же загорится лампочка. Это значит, что электрический сигнал достиг цели. Теперь остается договориться, на каком условном языке будут передаваться сообщения. Можно, например, замыкать цепь на короткие отрезки времени, посылать в линию, а значит и пропускать через лампочку импульсы тока. В этом случае появляется много различных способов кодировать сообщения. Условимся, например, так: одна вспышка лампочки означает «Приходи в гости», две вспышки — «Иду к тебе», три — «Не забудь, что завтра воскресенье, встречаемся на остановке троллейбуса и едем на стадион».
Есть другой путь, и вы его прекрасно знаете, — это азбука Морзе, или, как ее называют еще иначе, телеграфная азбука. В ней каждой букве, каждой цифре, каждому знаку препинания соответствует определенная комбинация коротких и длинных импульсов тока — точек и тире. Существует и другой распространенный код — код Бодо, в котором используются различные комбинации одних только точек и пауз между ними.
Телеграфная передача очень напоминает разговор с помощью двух переводчиков — сначала мы переводим слова на язык условных знаков — точек и тире, затем превращаем эти знаки в электрические сигналы, то есть, образно говоря, переводим их на электрический язык. В этом отношении телефон — система более простая и, конечно, более удобная. Здесь нет никаких промежуточных превращений — в электрический сигнал преобразуются сами звуковые волны, соответствующие тем или иным словам. Прибор, который осуществляет такой перевод на электрический язык, называется микрофоном.
Чаще всего встречаются два типа микрофонов — угольный и электродинамический (динамический). Если не вдаваться в подробности, то можно сказать, что первый из них — это просто коробочка с угольным порошком, который с помощью двух плоских электродов включается в электрическую цепь последовательно с обычной батарейкой (рис. 12).
Рис. 12
Когда вы говорите перед микрофоном, то звуковые волны воздействуют на угольный порошок. Любое изменение звукового давления меняет плотность порошка, а с изменением плотности меняется и его электрическое сопротивление. Чем сильнее прижаты друг к другу крупинки угля, тем легче двигаться электрическим зарядам, тем, следовательно, меньше сопротивление порошка. Ну, а если меняется сопротивление цепи, то по закону Ома меняется и ток в ней. При этом изменение тока в точности повторяет все изменения сопротивления, а значит и все изменения звукового давления. Так, если на микрофон попадает звук с частотой 400 гц, то ток в цепи будет изменяться также с частотой 400 гц. Если произнести перед микрофоном какое-либо слово, а затем построить два графика — график звука и график тока в микрофонной цепи, то форма кривой на обоих графиках окажется одинаковой. Одним словом, микрофон в точности переводит звук на «электрический язык», создает своего рода электрическую копию звука.
Это преобразование нужно нам лишь для того, чтобы с помощью тока передать сообщение по проводам. Совершенно ясно, что на другом конце линии необходим еще один «переводчик» — нужно совершить обратное преобразование, то есть с помощью изменяющегося тока получить звук. Такой обратный перевод может совершить простейший прибор, в быту называемый наушником, а в литературе головным телефоном или просто телефоном.
Основой телефона являются две соединенные последовательно катушки с большим числом витков медного провода и сердечниками в виде постоянных магнитов. К катушкам, точнее к слегка выступающим сердечникам, прилегает тонкая стальная пластинка — мембрана. Когда по катушке телефона проходит ток, то сердечник дополнительно намагничивается и сильней притягивает к себе мембрану. В простейшей линии телефонной связи наушник (телефон) можно включить последовательно с микрофоном и батарейкой. В этом случае при изменении тока, который проходит через микрофон, меняется и ток в катушке телефона — во всех участках последовательной цепи течет один и тот же ток. При этом, естественно, меняется и сила притяжения мембраны к сердечнику, мембрана колеблется и создает звуковые волны. Все движения мембраны будут в точности следовать за изменениями тока в цепи. Если, например, ток в цепи изменяется с частотой 400 гц, то мембрана создаст звук, имеющий частоту также 400 гц. Достаточно точно сохранится и спектральный состав звука, хотя, откровенно говоря, в этом отношении телефон весьма далек от совершенства.
Кроме угольного микрофона и наушника, «переводчиками» могут служить более совершенные электродинамические системы — динамический микрофон и динамический громкоговоритель. Работают эти, казалось бы, разные приборы на одном и том же принципе и содержат одинаковые основные узлы. Это прежде всего сильный постоянный магнит, расположенная между его полюсами легкая катушка (ее обычно называют звуковой) с небольшим числом витков и прикрепленный к этой катушке диффузор, изготовленный из специального материала, очень напоминающего бумагу или тонкий картон (рис. 13).
Рис. 13
Еще в начале XIX века замечательный английский физик Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которое сейчас используется практически во всех типах электрогенераторов и двигателей. На этом явлении основана также работа электродинамического микрофона и громкоговорителя. Первый из них можно считать своеобразным генератором, второй — двигателем.
Явление электромагнитной индукции можно коротко описать так. Если в магнитное поле поместить проводник и затем каким-то образом менять это поле, то на концах проводника появится электродвижущая сила. Менять магнитное поле можно по-разному, в том числе, перемещая магнит относительно проводника или, что то же самое, перемещая проводник относительно магнита. Именно это и происходит в динамическом микрофоне. Под действием звуковых ваш диффузор микрофона колеблется. Вместе с диффузором движется в магнитном поле звуковая катушка, и в результате электромагнитной индукции на ней появляется э. д. с. При этом величина э. д. с. и характер ее изменения полностью определяются характером движения диффузора, то есть в конечном итоге звуковыми волнами. Таким образом, микрофон довольно точно «переводит» звук на «электрический язык», используя энергию звука, создает электрический ток. Этим микрофон и похож на генератор, который вырабатывает электрическую энергию также за счет механической работы, например работы, которую выполняет расширяющийся пар или падающая вода.
Громкоговоритель, как мы уже отмечали, похож на электродвигатель— к нему подводится электрическая энергия и он превращает ее в механическую работу, двигая диффузор.
Электромагнитная индукция — явление обратимое. При движении проводника в магнитном поле на нем наводится переменная э. д. с. и, наоборот, под действием переменной э. д. с. проводник начинает двигаться в магнитном поле. Последнее объясняется тем, что проводник, по которому течет ток, обладает магнитными свойствами (стр. 11) и поэтому взаимодействует с постоянным магнитом точно так же, как взаимодействуют друг с другом (притягиваются или отталкиваются) два магнита. В результате такого взаимодействия проводник, а в нашем случае это звуковая катушка, колеблется в магнитном поле, увлекает за собой диффузор, который и создает звуковые волны. Здесь, так же как и в микрофоне, сохраняется соответствие между звуком и током — звук будет своеобразной копией того переменного тока, который протекает в звуковой катушке громкоговорителя. Как сами видите, машина, которая создает голоса и даже имитирует целый симфонический оркестр, устроена довольно просто.
Вся сложность состоит в том, чтобы передать этой машине достаточно точный электрический «шаблон», по которому будет воспроизводиться нужный звук, то есть, проще говоря, подвести к звуковой катушке переменный ток необходимой формы, ну и конечно, достаточно сильный для того, чтобы, преодолевая сопротивление воздуха, двигать диффузор.
Два слова об обратимости. В ряде случаев динамический микрофон и громкоговоритель действительно могут заменить друг друга. Когда в продаже не было маленьких громкоговорителей для карманных приемников, радиолюбители с успехом использовали вместо них некоторые типы микрофонов. И наоборот, громкоговорителю иногда приходится работать вместо микрофона (стр. 150).
* * *
КОРОТКО и ЯСНО
Для того чтобы не загромождать схему длинными надписями, применяется система сокращенной записи величии сопротивлений и емкости конденсаторов.
Сопротивления. Когда сопротивление указано в омах, то просто пишут цифру без каких-либо дополнительных обозначений. Если возле цифры стоит обозначение
Конденсаторы. Цифра без запятой означает, что емкость указана в пикофарадах. Цифра с запятой, то есть десятичная дробь, говорит, что емкость конденсатора приведена и микрофарадах.
R — 200 означает 200 ом
R — 200 ком означает 200 килоом
R — 0,2 означает 0,2 Мом
R — 10,0 означает 10 Мом
С — 200 означает 200 пф
С — 0,002 означает 0,002 мкф, или, что то же самое, 2 000 пф
С — 20,0 означает 20 мкф.
В особых случаях рядом с конденсатором указывают напряжение, на которое он должен быть рассчитан. Рядом с переменными и подстроечными конденсаторами обычно указывают их минимальную и максимальную емкость.
* * *
Знакомясь с микрофоном и громкоговорителем, мы с вами как-то незаметно ввели еще одно действующее лицо — переменный ток. Рассматривая карманный фонарик, мы говорили, что в его цепи течет постоянный ток. При этом имелось в виду, что этот ток всегда течет в одну и ту же сторону и величина тока также остается неизменной. В карманном фонаре иначе и быть не могло — источником тока там является батарейка, которая всегда дает постоянную э. д. с.
Другое дело в микрофоне. Согласно законам электромагнитной индукции, величина э. д. с., которая наводится на проводнике, прежде всего зависит от скорости движения этого проводника в магнитном поле — чем быстрее движется проводник, тем больше наведенная э. д. с. Различной может быть и полярность электродвижущей силы — плюс и минус на концах проводника будут меняться местами, если двигать этот проводник то в одну сторону, то в другую. Теперь представьте себе, что получается, когда звуковая катушка микрофона под действием звуковых волн, падающих на диффузор, непрерывно колеблется. Электродвижущая сила, которая при этом возникает на концах звуковой катушки, непрерывно меняется — меняется и ее величина и полярность. Одним словом, на концах катушки действует переменная э. д. с. (рис. 14), которая и создает в цепи переменный ток (помните закон Ома? Ток в цепи зависит от э. д. с.).
Рис. 14
Так же как и любая переменная величина, в частности звук, переменный ток и переменное напряжение (э. д. с.) имеют следующие главные характеристики: наибольшее значение — амплитуду, период — время полного цикла колебаний, частоту — число периодов за секунду и, наконец, форму кривой, которую можно четко охарактеризовать суммой гармонических составляющих. Описать какой-либо переменный ток проще всего с помощью графика. Здесь кверху от оси времени откладывается какое-нибудь одно, причем совершенно безразлично какое, направление тока или напряжения, а книзу от оси — противоположное направление. Фактически получаются два графика с обшей осью времени — один график нормальный, другой перевернутый вверх ногами. Совершенно очевидно, что в нашем случае график переменного тока в цепи должен быть точной копией графика звуковых колебаний, которые мы хотим передать. Точно так же график звука, созданного громкоговорителем, должен точно соответствовать графику тока, который прошел по линии и попал в звуковую катушку громкоговорителя. Одним словом, оба преобразования, или, как мы их назвали, оба перевода: звук — ток (переводчик микрофон) и ток — звук (переводчик громкоговоритель) должны происходить без искажений. В этом случае в месте приема мы получим копию звука, который воздействовал на микрофон на передающей стороне нашей линии.
Раз уж зашел разговор об искажениях, стоит сказать о них более подробно. В звуковоспроизводящей аппаратуре встречается в основном два вида искажений — нелинейные и частотные. Вскрыть их причины мы пока не имеем возможности — об этом пойдет речь несколько позже. Сейчас можно говорить лишь о том, как проявляют себя различные искажения, каковы их результаты.
И в том и в другом случае искажается форма сигнала, например, график звука уже оказывается не похожим на график тока, который подводится к громкоговорителю. При этом в результате нелинейных искажений появляются новые гармонические составляющие, которые мы воспринимаем в виде посторонних хрипов и шумов. Частотные искажения не приводят к появлению новых составляющих, они лишь изменяют соотношение амплитуд существующих гармоник. В результате этого звук меняет свой тембр, меняет окраску.
Частотные искажения особенно заметны, когда происходит ослабление или усиление гармоник на краях звукового диапазона — в области высших и низших звуковых частот. Для различных элементов звуковоспроизводящего тракта, в том числе для микрофона и громкоговорителя, принято рисовать частотную характеристику, которая показывает, в какой степени этот элемент создает или, наоборот, компенсирует частотные искажения. Частотная характеристика — это график, у которого по горизонтальной оси всегда откладывается частота. Величина, которая откладывается по вертикальной оси, зависит от того, для какого устройства или прибора составляется характеристика. Так, для громкоговорителя по вертикальной оси можно откладывать силу звука при условии, что к звуковой катушке всегда подводится одинаковая электрическая мощность. Не забудьте, что когда мы в данном случае говорим о частоте переменного тока, то имеем в виду чисто синусоидальный переменный ток. Если бы мы захотели определить частотную характеристику для токов какой-нибудь другой формы, то очень быстро запутались бы, так как должны были бы учитывать и зависимость силы звука от изменения частоты и от искажения формы сигнала. Что же касается синусоидального тока, то никакие частотные искажения не меняют его формы. В этом одна из наиболее существенных особенностей синусоиды.
Для идеального громкоговорителя частотная характеристика — прямая горизонтальная линия, показывающая, что этот громкоговоритель одинаково хорошо воспроизводит все частоты. В действительности такого, конечно, не бывает. Как правило, частотная характеристика громкоговорителя «завалена», то есть загнута книзу в области высших и низших частот. Практически это значит, что громкоговоритель непропорционально слабо воспроизводит высшие и низшие частоты, причем для разных громкоговорителей отклонение от идеала (все частоты воспроизводятся одинаково) может быть самым различным. Этим, кстати говоря, в основном и определяется качество громкоговорителя, а значит и качество самого приемника. Ведь конечная цель в любом радиоприемнике — создание неискаженного, то есть похожего на настоящий, звука.
Конечно, решение этой задачи зависит не только от громкоговорителя, но oil является конечным звеном, своего рода сборочным цехом фабрики «синтетического звука», и поэтому от громкоговорителя зависит очень многое. Во всяком случае он может испортить все «старания» других узлов приемника. Если частотная характеристика завалена в области высших частот, то звук становится глухим, бубнящим, при воспроизведении музыки плохо слышны такие инструменты, как скрипки, флейты, одним словом, нет чистоты, прозрачности звука. Завал в области низших частот, наоборот, приводит к тому, что плохо слышны и даже совсем пропадают басы, звук становится сухим, с металлическими оттенками, такие инструменты, как барабан и контрабас слышны очень слабо. Как правило, громкоговорители с большим диаметром диффузора хорошо воспроизводят низшие звуковые частоты, а маленькие громкоговорители — высшие частоты. В современных приемниках иногда устанавливают несколько разных громкоговорителей и таким путем стремятся приблизиться к идеальной частотной характеристике.
Подводя итог всему, что было рассказано в этой главе, мы еще раз отметим, что в основе всех линий электрической связи, в том числе и радиосвязи, лежит преобразование звука в электрический сигнал, передача этого сигнала на большое расстояние и, наконец, обратное преобразование электрического сигнала в звук. Вы узнали, конечно в самых общих чертах, как это все происходит в линиях проводной связи. Сейчас мы должны выяснить, как подобные преобразования выглядят в линиях радиосвязи, где передача сигналов осуществляется без проводов.
«Гребенка и компас»
Эти слова взяты в кавычки потому, что весь заголовок позаимствован из другой книги. Книга называется «Что такое радиолокация», а написал ее военный радиоинженер С. А. Бажанов, умевший просто и понятно рассказывать о сложных вещах и прекрасно владевший секретом подбора образов и сравнений. «Гребенка и компас» — это относится к главе, в которой рассказано об электромагнитных полях и волнах. Надо признаться, что сколько ни думай, а лучшего начала для рассказа об этом явлении, по-видимому, не придумаешь. Гребенка и компас — те наглядные пособия, которые позволяют без грубых упрощений подойти к одной из самых сложных тем в радиотехнике — к передаче сообщений с помощью радиоволн.
Вы натерли гребенку шерстяной тряпкой или просто причесали волосы, и она приобрела особое свойство — электрический заряд. В этом легко убедиться, если поднести к наэлектризованной гребенке мелкие клочки бумаги или лоскутки шелка. Однако в результате электризации произошли изменения не только в самой гребенке. Ведь она тянет к себе клочки бумаги с довольно большого расстояния, и значит в этом взаимодействии каким-то образом участвует пространство, среда. Можно сказать, что вблизи наэлектризованного предмета и само пространство как-то изменяется, оно приобретает какие-то особые электрические свойства. Область пространства, где обнаруживаются эти свойства, а проще, где обнаруживается действие электрических сил, называют электрическим полем. Но это только одно из нескольких определений поля и, нужно признаться, весьма формальное.
С чем может быть связано появление вокруг наэлектризованной гребенки электрического поля? Может быть, произошли какие-нибудь изменения в окружающем воздухе — изменилась энергия его молекул, нарушились или, наоборот, укрепились связи между ними, или, может быть, наконец, произошла электризация самих атомов? Вое это, так же, как и другие изменения состояния вещества, не может объяснить появление поля. Если проделать опыт с гребенкой в безвоздушном пространстве, в абсолютном вакууме, то клочки бумаги будут по-прежнему притягиваться к ней. Нет! Вещество, любые его представители — атомы, молекулы, электроны — здесь ни при чем!
Тут наступил момент ввести еще одно более точное определение электрического поля. Оно представляет собой особый вид материи, существующий так же реально, как и вещество, но в отличие от последнего не доступный нашим органам чувств.
Когда неопровержимые опыты показывают, что наряду с веществом действительно существует такая форма материн, как поле, в частности электрическое поле, наш мозг не хочет находить места для этого необычного понятия. Даже люди, выполнившие множество экспериментов с полем, умеющие подсчитать его массу и запасы энергии, как правило, стараются уйти от вопроса: «А как вы себе представляете электрическое поле?» Чаще всего от них можно услышать примерно такой ответ: «А зачем обязательно как-то представлять себе поле? Нужно лишь быть уверенным, что поле не выдумка, что оно реально существует. Ну, а это видно из самых простых опытов». И для подкрепления своих слов наш ученый вырвет из блокнота листок бумаги, изорвет его в мелкие клочки и, наконец, как вы уже, наверно, догадались, извлечет из кармана гребенку. Слово будет предоставлено высшему авторитету — опыту.
Наряду с электрическим существует еще и магнитное поле, о котором мы уже упоминали. Оно возникает вблизи любого движущегося заряда, в том числе и вокруг проводника с током. Магнитное поле также можно обнаружить опытным путем— для этого достаточно поднести компас к проводнику, по которому течет сравнительно сильный (0,5–2 а) постоянный ток. Вблизи проводника с переменным током также существует магнитное поле, но обнаружить его с помощью компаса нельзя. Поскольку меняется ток, меняется и магнитное поле, стрелка компаса не может поспевать за этими изменениями и по инерции… стоит на месте.
Электрические и магнитные поля тесно связаны с зарядом. Уберите заряд, и электрическое поле исчезнет, остановите заряд — и магнитного поля нет. Однако можно получить электрические и магнитные поля «в чистом виде» — ни с чем не связанные и свободно перемещающиеся в пространстве на огромные расстояния.
Начнем с того, что электрическое и магнитное поле — не какие-то разрозненные, не зависящие одно от другого явления. Эти поля, по сути дела, представляют собой две стороны, или, как обычно говорят, две составляющие единого электромагнитного поля. Причем, в определенных условиях эти составляющие могут передавать друг другу свою энергию, поддерживать друг друга и даже (почти как в цирке!) превращаться одна в другую. Вот несколько примеров.
До сих пор мы с вами по возможности старались забыть об электрическом поле, во всяком случае старались не вспоминать о нем без особой надобности. Это позволяло нам очень просто, хотя и не очень точно объяснять многие процессы в электрических цепях. Так, в частности, мы без всякого поля рассмотрели электрическую цепь карманного фонарика и на этом простом примере ввели ряд важных соотношений для тока, мощности, напряжения и т. д. А нужно сказать, что достаточно правдоподобную картину и в этом простом случае можно было получить, лишь вспомнив об электрическом поле и учтя его влияние на ход событий.
Возьмем, к примеру, источник тока — батарейку. Когда мы говорим, что на ее зажимах действует электродвижущая сила, то это значит, что батарейка создает электрическое поле — оно обязательно появляется вблизи скопления зарядов, то есть вблизи электродов. Когда мы говорим, что электроны двигаются от «плюса» к «минусу», то в этом движении главную роль играет поле — ведь не руками же батарея подталкивает электроны, она заставляет их двигаться, воздействуя своим полем!
Да и вообще любое взаимодействие зарядов, например их взаимное отталкивание, осуществляется через поле. Вдоль любой проволочной линии существует электрическое поле, созданное генератором, и именно оно подталкивает на всем пути заряды, поддерживает ток в цепи. Поле затрачивает энергию на создание тока и тут же получает пополнение своих запасов от генератора. А теперь вывод — короткий и очевидный. Электрическое поле поддерживает ток, а ток создает магнитное поле. Следовательно, в этом случае запасы энергии переходят из электрического поля в магнитное.
Другой пример — электромагнитная индукция. Взаимодействие проводника и магнита во всех случаях осуществляется через поля, без каких бы то ни было соприкасаний. Об этом говорит само слово индукция, которое означает «наведение», «передача на расстоянии». Когда мы сами двигаем проводник, то получаем на его концах э. д. с., то есть создаем электрическое поле с помощью магнитного. Когда мы пропускаем через проводник ток, то в результате взаимодействия электрического и магнитного полей получаем механическую работу.
В самом общем виде можно сказать, что явление электромагнитной индукции состоит в следующем: всякое изменение электрического поля влечет за собой появление меняющегося магнитного поля, а всякое изменение магнитного поля приводит к изменению электрического. Не вздумайте, пожалуйста, оставить без внимания слово изменение — в нем вся сущность дела. Это хорошо видно на следующем, третьем примере.
В любом учебнике электротехники можно прочесть, да мы и сами об этом говорили, что ток протекает только в замкнутой цепи. Однако это не совсем точно. За объяснениями вернемся к нашей старой знакомой — батарейке карманного фонаря. Давайте посмотрим, что будет, если к «минусу», где скопилось множество электронов, подключить длинный одиночный провод (рис. 15, а). Совершенно ясно, что в него сразу же хлынет поток электронов, которые в дальнейшем равномерно распределятся по всему проводнику. Он станет своего рода продолжением «минуса», удлиненным лепестком батарейки, вокруг которого естественно будет существовать и электрическое поле. Конечно, если заглянуть в этот проводник через некоторое время после подключения к батарейке, то никакого тока в нем уже не найти. Однако «покопавшись в истории», мы обнаружим, что во время подключения электроны сдвигались от батареи к концу проводника, и в этом же направлении шла волна электрического поля. Вот в этот момент, и только в этот момент, в разомкнутой линии шел ток и вокруг проводника существовало магнитное поле.
Рис. 15
Теперь давайте переключим провод с «минуса» на «плюс» (рис. 15, б). Опять на какое-то мгновение появится ток — не только лишние, но и многие собственные электроны проводника потянутся туда, где их не хватает, то есть на «плюс». Вновь на какое-то мгновение появится магнитное и изменится электрическое поле — теперь они создаются током противоположного направления и зарядом противоположного знака. На проводнике уже не избыток, а недостаток электронов, то есть «плюс», а не «минус».
Мы все время подчеркиваем, что процессы в разомкнутой цепи — появление тока, а с ним и магнитного поля, изменение электрического поля — очень кратковременны. Время их существования в основном зависит от того, насколько быстро волна электрического поля, увлекающая за собой свободные заряды, пройдет путь вдоль всего проводника. Поле движется с огромной скоростью — 300 000 километров в секунду, и даже для проводника длиной в несколько километров время существования тока будет исчисляться миллионными долями секунды. И несмотря на это в длинном разомкнутом проводнике можно создать непрерывный, непрекращающийся ток. Для этого нужно подключить проводник к генератору переменной э. д. с. (рис. 15, б).
Напряжение на зажимах такого генератора все время меняется, меняется его величина, меняется и полярность. Иными словами, на том зажиме, где был «+», через некоторое время становится «—», затем опять «+» и т. д. Поэтому вдоль проводника, подключенного к этому зажиму, то в одну то в другую сторону, будет двигаться волна электрического поля, которое будет увлекать за собой электроны, создавать переменный ток, а под действием этого переменного тока вокруг проводника появится переменное магнитное поле.
Если взять достаточно длинный проводник и достаточно быстро изменяющуюся э. д. с., то перемещение полей, несмотря на их огромную скорость, не будет поспевать за изменением тока. Еще не успеет дойти до конца проводника волна электрического поля, как с генератора уже сходит следующая волна, еще не успело исчезнуть магнитное поле очередного «толчка» тока, как уже появляется следующий «толчок», который в свою очередь сам создает магнитное поле. И вот здесь-то и происходит самое интересное — отталкивание, отбрасывание электрических и магнитных полей от проводника, излучение их в пространство. Как бы обидевшись за грубость, за то, что их подталкивали и подгоняли, электрические и магнитные поля покидают проводник, отрываются от него и начинают свою собственную свободную жизнь. При этом поля тесно связаны одно с другим, поддерживают друг друга, непрерывно обмениваются запасами энергии, захваченными у генератора. Одним словом, в пространство излучается единое электромагнитное поле, которое содержит электрическую и магнитную составляющие. Электромагнитное поле уходит во все стороны от излучающего проводника с уже известной нам скоростью — 300 000 километров в секунду, оно как «гордый Демон, дух изгнанья» не боится преград, не признает расстояний, проносится над лесами и океанами, пронизывает стены домов, уходит в просторы космоса. И только встретив на своем пути проводник… Но прежде чем говорить об этой встрече, еще несколько слов о том, как происходит излучение.
В нашем примере источником излучения служит генератор переменного тока. Поэтому от проводника (давайте его сразу же назовем передающей антенной) электромагнитные поля будут отходить непрерывно, одно за другим… Иными словами, под действием переменного тока передающая антенна будет планомерно, через равные промежутки времени излучать электромагнитные волны. Чем выше частота переменного тока в передающей антенне, тем чаще следуют друг за другом «сгустки» электромагнитного поля, тем меньше расстояние между ними. Расстояние между двумя одинаковыми «сгустками» (то есть созданными током одного направления, например, между ближайшими четными) называется длиной электромагнитной волны (рис. 16).
Рис. 16
Длина волны зависит от частоты переменного тока в передающей антенне — чем больше частота, тем короче волна, любую из этих величин можно подсчитать, если известна другая и, конечно, скорость движения волны.
Теперь легко сообразить, что получится, если на пути электромагнитных волн встретится проводник. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля «схватят» свободные электроны проводника (мы сразу же назовем его приемной антенной) и будут их подталкивать в ту или иную сторону. А поскольку волны продолжают двигаться и поле в районе проводника непрерывно меняется, то будут меняться также скорость и направление движения свободных электронов в проводнике. Иными словами, электромагнитные волны наведут в проводнике переменный ток.
Переменный ток в приемной антенне как по частоте, так и по форме кривой оказывается точной копией переменного тока, который циркулировал в передающей антенне. А вот что касается мощности, то в приемную антенну попадает лишь ничтожная доля излучаемой энергии. Ведь электромагнитные волны просто-напросто разбазаривают энергию, полученную от генератора, растаскивают во все стороны. Да потом на пути встречается множество потребителей — энергию отбирают не только настоящие антенны, но и вообще все проводники, все металлические предметы — крыши, провода, в какой-то степени даже почва и водоемы. Так что сами судите, что может достаться приемной антенне, расположенной на расстоянии сотен и тысяч километров от передающей.
Но как бы там ни было, электромагнитные волны связывают передающую антенну с приемной, образуют беспроволочную линию электрической связи. Кстати говоря, подобные линии существуют уже миллиарды лет. В природе на каждом шагу встречается передача энергии или информации с помощью электромагнитных волн. Возьмите, к примеру, глаз человека или животного. Он представляет собой своеобразный приемник электромагнитных волн, излучаемых всяким освещенным предметом. Вы, конечно, знаете, что свет — это самые обычные электромагнитные волны (с очень малой длиной волны. Излучение их также происходит за счет движения электрических зарядов). Так волны, соответствующие красному или зеленому свету, могут появиться, если в атоме водорода электрон перейдет с одной орбиты на другую. Прием световых волн также сопровождается движением зарядов в масштабах атомов или молекул. Подобные молекулярные приемники света работают и в нашем глазу. Так что напрасно мы дали электромагнитным волнам прозвище «невидимые». Как раз эти волны мы и видим. Правда, не все, а лишь те, которые имеют длину волны примерно от 400 до 800 тысячных долей микрона. Более длинные и более короткие электромагнитные волны наши органы чувств действительно не воспринимают.
Однако мы с вами слитком отвлеклись. Уже давно пора сделать шаг на пути к главной цели — выяснить, как осуществляется радиопередача речи и музыки.
Это делается так
Поделиться книгой: