Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Л. — Если передающая антенна расположена вертикально, то волны равномерно распространяются по всем направлениям (рис. 43).

Рис. 43. Электромагнитные волны (показаны пунктиром), излучаемые передающей антенной.

Сам радиус каждой такой круговой волны растет со скоростью света. Но можно также сделать и направленные антенны, где, например, проводник-отражатель отражает волны и концентрирует их в луч.

Н. — Одним словом, здесь поступают, как при конструировании осветительных приборов. Бывают лампы, равномерно распространяющие свет во все стороны; но можно и ориентировать освещение в одном заданном направлении, как это, в частности, сделано в автомобильных фарах.

Диапазоны волн

Л. — В этой аналогии нет ничего удивительного, потому что радиоволны и световые волны имеют одну и ту же электромагнитную природу. Единственная разница заключается в их частоте. А что касается частоты, то запомни, что для ее измерения пользуются единицей период в секунду, которая называется герц. Сокращенное написание этой единицы Гц. В радиотехнике обычно имеют дело с тысячами герц — килогерцами (кГц), миллионами герц — мегагерцами (МГц) и даже миллиардами герц — гигагерцами (ГГц).

Частоты электромагнитных волн видимого света занимают полосу (385–790)·106 Мгц. В радиотехнике пользуются менее высокими частотами: от 30000 Гц до 3000 МГц. Можешь ли ты рассчитать длину соответствующих этим частотам волн?

Н. — Я предполагаю, что так называют расстояние между двумя последовательно отделившимися от антенны волнами. Так как они распространяются со скоростью 300 000 000 м/с, то расстояние, пройденное одной волной до момента отделения следующей, равно этой скорости, умноженной на время, протекающее между двумя соседними волнами. Это время представляет собой период переменного тока, порождающего волны, причем он обратно пропорционален частоте.

Л. — Совершенно верно, Незнайкин. Если мы обозначим период буквой T, тогда Т = 1/f. Следовательно, длина волны λ в метрах равна:

Н. — Таким образом, если частота 30000 Гц, длина волны равна 10000 м. А максимальной частоте 3000 МГц соответствует волна длиной всего 10 см.

Л. — Ты правильно рассчитал. Запомни, что используются длинные волны (1000 м и более), средние волны (от 100 до 1000 м) и, наконец, короткие волны (меньше 100 м). Используются также ультракороткие волны, длина волны которых меньше метра; к ним относятся дециметровые и сантиметровые волны. В некоторых особых случаях используются даже миллиметровые волны.

Для того чтобы получить направленное распространение волн с помощью рефлекторов, необходимо применять короткие и ультракороткие волны, так как для длинных и средних волн требуются рефлекторы диаметром несколько километров, сделать которые невозможно.

Прием радиоволн

Н. — А как принимают радиоволны?

Л. — С помощью приемной антенны, представляющей собой проводник, находящийся на пути распространения волн, проходя по которому, электромагнитные волны наводят в нем токи высокой частоты. Эти волны без какого бы то ни было ослабления проходят через диэлектрики. Однако, наводя токи в проводниках, они теряют часть своей энергии.

Н. — Ты меня пугаешь, Любознайкин. Человеческое тело — проводник электричества. Следовательно, волны всех радио- и телевизионных передатчиков наводят в моем теле токи?

Л. — Несомненно, но успокойся: эти токи чрезвычайно малы и никоим образом не могут причинить тебе вреда.

Н. — Тем лучше. А как они ведут себя в радио- или телевизионных приемниках?

Л. — Здесь наводимые ими токи тоже очень малы. Антенна непосредственно или индуктивно соединена с входным колебательным контуром приемника. Если контур настроен на частоту принимаемых волн, то благодаря явлению резонанса в контуре возникает относительно большой ток. Антенна через катушку должна быть заземлена. Если колебательный контур включен непосредственно между антенной и заземлением (рис. 44) и если он точно настроен на частоту принимаемых волн, его сопротивление большое, поэтому падение напряжения, создаваемое токами антенны на выводах контура, относительно высокое.

Рис. 44. В приемнике контур настройки может включаться непосредственно между антенной и заземлением (а) или же индуктивно связываться с катушкой, по которой протекают токи, наводимые принимаемыми сигналами (б).

Настройка и избирательность

Н. — А что произойдет, если контур окажется не в резонансе с принимаемыми волнами?

Л. — В этом случае его полное сопротивление станет меньше, что приведет к снижению напряжения на выводах контура. Это то самое явление, которое лежит в основе избирательности контура, его способности наилучшим образом принимать частоты, на которые он настроен.

Измеряя напряжение на выводах контура для различных частот, можно вычертить кривую избирательности, показывающую, как изменяется напряжение в зависимости от частоты (рис. 45).

Рис. 45. Кривые, показывающие, как изменяется напряжение U на колебательном контуре в зависимости от частоты сигнала f. Кривые представлены для контура с низкой (а) и высокой (б) избирательностью.

Н. — А что определяет форму этой кривой? Я имею в виду прежде всего ее большую или меньшую ширину, так как чем уже эта кривая, тем выше, на мой взгляд, избирательность контура.

Л. — И ты не ошибаешься. Избирательность определяется коэффициентом затухания контура. Этот коэффициент в основном зависит от активного сопротивления катушки, вносящего в контур потери.

Н. — А каким образом удается установить колебательный контур в резонанс с частотой передачи, которую желают принять?

Л. — Для этого настраивают контур на требуемую частоту соответствующим изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора. Если использовать конденсатор переменной емкости, настройку можно осуществить плавно. Что же касается индуктивности, то ее обычно меняют скачками для переключения диапазонов, например чтобы перейти с длинных волн на короткие. Для этой цели служит переключатель, позволяющий заменить одну катушку другой или использовать часть витков одной катушки, имеющей специальные отводы (рис. 46). Раньше использовали также катушки с плавным изменением индуктивности. Примером такого устройства может служить вариометр, состоящий из двух последовательно соединенных катушек, одну из которых можно было вращать внутри другой и, таким образом, изменять их взаимную индукцию.

Рис. 46. Переключение с одного диапазона волн на другой осуществляется переключением катушек (а) или части витков одной катушки (б).

Н. — Хорошо. Я понял, как излучают волны и как их принимают. Но каким образом заставляют волны передавать звук или изображение? И как при приеме удается их воспроизводить?

Л. — Все это потребует немало объяснений. Мой дядюшка и я сам сможем теперь приступить к этим вопросам, так как ты постиг основы общей электротехники.

Комментарий профессора Радиоля

РАДИОПЕРЕДАТЧИКИ И РАДИОПРИЕМНИКИ

Как звуки преобразуют в электрические сигналы? Как эти сигналы вводят в электромагнитные волны? Как эти волны принимают, выделяют, усиливают? Как из них извлекают звуковые сигналы и как эти сигналы вновь преобразуют в звуки? Все это объясняет профессор Радиоль.

Слушая вашу последнюю беседу, я убедился, что вы подошли непосредственно к радиотехнике. Не вдаваясь в детали, я попытаюсь изложить вам основные принципы этой области знаний.

Звуковые волны

С помощью электромагнитных волн устанавливают связь между передатчиком и приемниками. И ты, Незнайкин, хотел бы знать, каким образом эти волны передают звуки и изображение?

Ток высокой частоты, изображенный на рис. 47, а, имеет постоянную амплитуду и частоту; он не несет никакой информации, а только порождает высокочастотные волны. Конечно, передавая такие волны с перерывами, т. е. короткими отрезками времени, соответствующими точкам, и несколько более продолжительными отрезками времени, соответствующими тире, можно передавать сигналы азбуки Морзе; это типичная телеграфия без проводов.

Рис. 47. Форма тока высокой частоты, не модулированного (а) и модулированного звуковым сигналом (б).

Я же хочу объяснить тебе принцип радиотелефонии, позволяющей передавать звуки. Не знаю, имеешь ли ты представление об элементарных понятиях акустики.

Что такое звук? Это последовательность волн, распространяющихся в воздухе со скоростью около 340 м/с. Они могут излучаться нашими голосовыми связками (это и происходит сейчас, когда я говорю), вибрирующими струнами музыкальных инструментов, а говоря в общей форме — всеми возбуждениями, приводящими поочередно к сжатию и разрежению воздуха. Частота колебаний звуков, которые мы слышим, находится в пределах от 16 до 20 000 Гц. Они охватывают всю гамму звуков — от самых низких, имеющих небольшие частоты, до самых высоких. Впрочем, по мере увеличения возраста человек хуже воспринимает самые высокие звуки; верхняя граница слышимых частот снижается до 15 000 или даже до 12000 Гц. Такое изменение объясняется тем, что у пожилых людей барабанные перепонки становятся менее эластичными, а именно эти перепонки приходят в колебание под воздействием звуков. Их колебания, действуя на слуховые нервы, создают в нашем мозгу ощущение звуков. Попутно можешь отметить некоторую аналогию между излучением и приемом радиоволн и излучением и восприятием звуков.

А теперь рассмотрим, как звуки могут передаваться с помощью электромагнитных волн. Для этой цели прежде всего необходимо преобразовать звуки в электрические сигналы, а затем наложить их на токи высокой частоты, порождающие радиоволны (рис. 47, б).

При приеме токи обычно бывают очень слабыми, следовательно, их нужно усилить. Затем из них нужно извлечь звуковые сигналы. После этого эти сигналы необходимо усилить и преобразовать в звуковые волны.

Как выполнить все эти операции? У меня нет времени описывать их все, но я тем не менее покажу тебе их общий характер.

Различные микрофоны

Для начала рассмотрим, как можно преобразовать звуки в электрические сигналы. Ты догадываешься, что для этой цели пользуются микрофонами. Все преобразователи независимо от принципа работы имеют эластичную мембрану, вибрирующую под воздействием звуковых волн. Как ты видишь, микрофон в принципе можно уподобить электрическому уху. Для преобразования вибраций мембраны в переменный электрический ток или напряжение нужно заставить мембрану своими движениями воздействовать на активное сопротивление, индуктивность или емкость. Микрофон, используемый в домашних телефонах, относится к первому случаю. Пространство между металлической мембраной и металлической коробочкой заполнено угольным порошком. Под воздействием переменного давления мембраны сопротивление этого порошка изменяется: при каждом сжатии оно уменьшается, а затем, когда мембрана перестает сжиматься, вновь увеличивается (рис. 48). Теперь достаточно приложить напряжение между мембраной и коробочкой и мы получим ток, сила которого изменяется в такт звуковым волнам и пропорционально их амплитуде.

Рис. 48. Активное сопротивление угольного порошка в микрофоне изменяется под воздействием звуковых волн.

Можно также сделать микрофон, прикрепив к мембране маленькую катушку, помещенную в магнитное поле постоянного кольцевого магнита. Имеющий такую конструкцию динамический микрофон отличается высокой верностью воспроизведения (рис. 49). Легко понять, что перемещение катушки в результате пересечения силовых линий магнитного поля создает в катушке токи, точно соответствующие звуковым колебаниям.