Занимательная электротехника на дому

Тайна строения вещества

Упомянув о катодном потоке, трудно удержаться, чтобы не сказать хоть несколько слов о тех удивительных тайнах природы, казалось бы навеки скрытых от человека, которые в наше время удалось открыть ученым, работавшим над изучением «невидимого света».

Эти исследования, требующие необычайно сложных и точных приборов и значительной научной подготовки для того только, чтобы понять, на чем они основаны, не говоря уже о том, чтобы их воспроизвести, показали, что электрон – основа всех электрических явлений – в то же самое время и основа строения всякого вещества.

Все материальные тела, которые нас окружают, состоят из отдельных, более или менее удаленных друг от друга, ультрамикроскопических[14] частиц-молекул, в свою очередь состоящих из еще более ничтожных по размерам атомов.

Слово «атом» значит «неделимый», неделимым он и считался до начала нашего века.

Как ничтожен объем атома в сравнении с самой крохотной пылинкой, можно судить по тому, что в капельке воды на острие иглы заключаются миллиарды атомов.

И несмотря на такие невообразимо малые его размеры, несмотря на полную невозможность увидеть его воочию в самый сильный микроскоп, гений человеческой мысли нашел путь к точному определению его размеров и сумел выяснить сложность его состава.

Атом состоит из центрального ядра, несущего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг этого ядра по орбитам определенных размеров, подобно орбитам планет, вращающихся вокруг Солнца. Те же электроны в свободном состоянии являются причиной отрицательного заряда тел, а их движение по проводникам – причиной электрического тока.

Что же такое сам электрон? Этого мы пока не знаем, как не знаем точно и того, что такое положительное ядро атома, вокруг которого вращаются электроны.

Зато мы знаем, во-первых, что положительный электрический заряд тел или, вернее, заряд, названный положительным, зависит не от наличия таких свободных атомных ядер, а от недостатка отрицательно заряженных электронов, а во-вторых, знаем размеры электронов.

Как ни бесконечно мал кажется нам атом, но он является колоссальным в сравнении с электронами, входящими в его состав. Если мысленно увеличить атом до размеров шара, радиус которого равен 2500 км (это будет шарик значительно больше Луны!), то размеры центрального атомного ядра возрастут до размеров крупного антоновского яблока, а электрон представится нам шаром с радиусом в 2 м.

Теперь вновь мысленно уменьшите атом до его действительных размеров и попытайтесь вообразить истинные размеры электрона!

Не правда ли, что высоко интересна та наука, которая позволила человеку прийти к таким знаниям? Эта наука – физика, являющаяся основой всей техники вообще и электротехники по преимуществу.

Трудно даже установить границу между учением об электричестве, как одном из отделов физики, и электротехникой, как прикладной отраслью знания.

В особенности трудно это сделать в их части, занимающейся явлениями невидимого света, с которыми мы только закончили наше краткое знакомство.

Волны в эфире

Радиосигнализация

Трудно назвать другое научное открытие, которое так быстро нашло бы столь замечательное практическое приложение, как это было с открытием Герцем волнообразного распространения электричества в диэлектриках.

Давно уже было теоретически установлено, что электрическая энергия, подобно световой, и с той же скоростью как свет, от которого она отличается только большею длиною волн, распространяется в гипотетическом (предполагаемом) эфире, заполняющем все мировое пространство, свободное от вещества, проще сказать, в пустоте.

Герц опытным путем доказал существование таких длинных волн, а русский ученый Попов и итальянский инженер Маркони независимо друг от друга использовали эти волны для сигнализации на расстояния прямо через воздух (воду, землю и другие непроводники тока) без какого бы то ни было механического соединения станций, подающей и принимающей сигналы.

Это был момент появления на свет беспроволочного телеграфа, изобретение замечательное, но которому широкая публика могла лишь удивляться, не принимая личного участия, в большинстве случаев, в его использовании.

Менее замечательное впечатление на неспециалистов произвело появление первых аппаратов для беспроволочного телефонирования, но зато тем более сильно оказалось оно, когда телефон без проводов стал доступен каждому желающему и когда мощные громкоговорители, установленные в людных местах, начали передавать речь и музыку, воспроизводимые за сотни и тысячи верст от них.

Радиотелефон или, проще, радио, вернее, станции, принимающие электрические волны и трансформирующие их в те же звуки, которыми эти волны были вызваны, стали модной новинкой. Устанавливать радиоприемники у себя сделалось такой же потребностью, какой в конце прошлого века была покупка граммофона и пополнение коллекции пластинок к нему с записью музыкальных и вокальных пьес.

Сейчас волна увлечения радиоприемниками уже спадает, установленные аппараты зачастую по неделям остаются бездействующими. Повторяется та же история, как в свое время с граммофонами, поначалу тоже день и ночь действовавшими без перерыва, а затем заброшенными и потерявшими всякий интерес.

Конечно, это относится только к широким кругам публики, следовавшей моде, возникшей на радиоприемники, истинные же любители радиотехники не только не охладели к своим приемным установкам, но и стараются дополнить их собственными отправите льными станциями.

Недавно подмеченная возможность передавать речь и музыку сравнительно простыми по устройству маломощными любительскими станциями на расстояния, не уступающие расстояниям передач громадными широковещательными станциями, устройство которых обходится в сотни тысяч рублей, дала новый толчок радиолюбительству.

Америка особенно богата такими любительскими отправительными станциями, и там уже становится «тесно в эфире»: станции своей работой мешают друг другу, и зачастую крайне важные сообщения, например просьбы о помощи, посылаемые гибнущим кораблем, не могут быть услышаны из-за работы любительских станций, передающих всякие пустяки всем и каждому, кто пожелает тратить время на их выслушивание.

Удар молнии, искра, проскакивающая между кондукторами электростатической машины, разряд спирали Румкорфа, наконец, всякий переменный ток в проводнике возбуждают волнообразное движение вокруг места, где они происходят.

Это движение идет все дальше и дальше, как расходятся круги на воде от брошенного камня, и, дойдя до специальных приемников, настроенных на длину распространяющейся от станции отправления волны, возбуждает в них электрические колебания, действующие на телеграфный или телефонный аппарат.

Следует, впрочем, отметить разницу между волнами, передающими условные отрывочные сигналы телеграфа, и волнами, как бы несущими с собою человеческую речь, музыкальные мелодии и другие звуки.

Первые называются затухающими, вторые – незатухающими волнами.

Выясним это различие на примере. Бросьте камень в воду и, следуя завету Кузьмы Пруткова[15], смотрите на волны, образованные его падением. В том месте, где камень скрылся под водой, поверхность воды сначала опустится, а вокруг нее валиком вода поднимется выше начального уровня. За этим приподнятым кругом следующий, большего радиуса, будет образован частицами воды, опустившимися ниже начального уровня, еще следующий круг опять образован приподнявшимися над уровнем частицами и т. д. Частицы воды, опустившиеся ниже ее начального уровня в месте падения камня, через некоторый, весьма короткий, промежуток времени вернутся в начальное положение, но не остановятся на нем, а поднимутся несколько вверх, и в этот самый момент все круги, ранее бывшие ниже уровня, станут выше его, а приподнявшиеся опустятся на такую же глубину ниже уровня, и эта смена опускания и подъема пойдет концентрическими кругами все дальше и дальше от того места, куда был брошен камень. Разница наивысшего и наиболее низкого положения, последовательно занимаемого теми же частицами воды, будет высотой волны (амплитудой ее колебания), а расстояния между соседними гребнями волн – ее длиной. Как бы далеко ни разбежались круги по воде, длина волн всюду будет одной и той же, амплитуда же волны с расстоянием уменьшается и постепенно сходит на нет. Поволновавшись некоторое время, вода успокоится, и ее поверхность вновь станет совершенно ровной. Волна затухает.

Теперь начните волновать воду равномерными касаниями ее поверхности концом палки. Все время, пока вы это будете делать, волны будут расходиться от места нарушения равновесия частиц воды; как долго бы вы ни продолжали его нарушать, волны будут назатухающими.

При искровых разрядах, разделяемых промежутками времени один от другого, электрические волны в течение этих промежутков, свободных от искр, успевают угаснуть; при длительном переменном токе в проводнике они будут разбегаться в эфирном пространстве неустанно все время, пока длятся в проводнике вызывающие их колебания тока.

Для радиотелеграфной передачи служат незатухающие волны.

По воде волны разбегаются во все стороны по ее поверхности, эфирные же волны бегут по всем направлениям, по всем радиусам шара, мысленно описанного вокруг места их возникновения. Отсюда и название передачи «лучевая» (радиус – луч).

В этом и удобство и недостаток радиосигнализации.

Такое распространение волны является благом для гибнущего судна, зовущего к себе на помощь любое судно, до которого дойдет его призыв.

Однако такое разбегание волн по всем направлениям неэкономично, если мы желаем подать сигнал, переслать телеграмму и сделать сообщение станции, местонахождение которой нам известно.

В этом случае энергия волн, несущихся по остальным направлениям, пропадает даром.

Для широковещательной станции возможность быть выслушанной любой принимающей станцией, где бы она ни находилась, радиальное распространение волн является необходимым условием ее работы.

Обратно, когда переговоры должны вестись между двумя определенными станциями и подслушивание их третьей нежелательно, такая способность волн разбегаться вокруг всего земного шара неудобна.

Поэтому-то в настоящее время стремление изобретателей направлено к осуществлению радиопередачи по определенному направлению так, как направляют в одну сторону лучи света прожектором. Пока, пользуясь отражением электрических волн от металлических поверхностей и некоторыми другими их особенностями, удается посылать сигналы и речь по преимущественному направлению, так что они лучше воспринимаются в той стороне, в которую направлены, но задача радиосигнализации по строго определенному направлению пока еще не решена окончательно.

Таков вкратце принцип радиопередачи, в подробности которой входить не станем по тем же причинам, по которым мы и раньше ограничивали наши теоретические рассуждения необходимым минимумом.

Вместо того познакомимся на опытах с описанным явлением передачи электрической энергии на расстояние, пользуясь для этого самыми примитивными приспособлениями.

Начнем с обращения двух обыкновенных электрических звонков в отправительную и приемную станции радиотелеграфа.

Радиотелеграф из двух звонков

Звонок Z, который предназначен служить станцией отправления (А, рис. 38), обычным путем включается в батарею из двух последовательно соединенных элементов Лекланше (или сухих) ее\ в цепь еще включают R. Предварительно на доске звонка между клеммой b₁, соединяющей кнопку со штифтом прерывателя, и клеммой b₂, которая соединяет кнопку с обмоткой электромагнита, укрепляется третья клемма b₃, соединяемая тонкой медной проволокой с другим концом обмотки, то есть пружиной молоточка. Такой клеммой может с успехом служить обыкновенный латунный винт.

От этой третьей клеммы и от первой выводится наружу, из-под коробки, прикрывающей механизм звонка (на рисунке для ясности коробки с обоих звонков сняты), медная проволочка около 3 см длиной. На отдельной дощечке размером 3x2 см ввинчиваются два латунных винтика, просверленных под самыми головками. Ввинчивать их надо так, чтобы просверленные каналы стали горизонтально и служили продолжением один другому. В эти каналы просовываются обломки тонкой стальной вязальной спицы или дамской шляпной булавки. Обращенные друг к другу концы спиц SS сближают почти до соприкосновения. Винты со спицами соединяются с проволочками, отходящими от звонка.

Если нажать кнопку R, замыкая постоянный ток батареи, то он в проводнике b₁ b₂ будет, благодаря действию звонкового прерывателя, прерывистым, если острия спиц S и S достаточно сближены; между ними будут проскакивать крохотные электрические искры, дающие начало электрическим волнам, распространяющимся от выдвинутых за винты концов спиц (концы выдвигаются приблизительно на 3 см), как от антенн станции отправления беспроволочного телеграфа.

Приемная станция из обыкновенного звонка устраивается несколько иначе (В, рис. 38).

Кнопка в цепь постоянного тока от двух последовательно соединенных элементов e₁ e₁ не вводится. Вместо того проволока, соединенная с одним из полюсов батареи, отводится под зажим одной из спиц, тогда как зажим другой спицы соединяют с клеммой b₁ звонка, то есть со штифом его прерывателя. Второй полюс звонковой батареи, как показано на чертеже, соединен обычным образом с обмоткой электромагнита звонка при помощи клеммы b₂. Спицы S₁ и S₁ на концах, обращенных друг к другу, намагничивают предварительно и направляют друг к другу противоположными полюсами. Расстояние между ними берется около 0,5 мм.

Рис. 38

Когда установка окончена и звонок Z₁ поставлен против звонка Z на расстоянии 8—10 см, к концам спиц S₁ и S₁ в промежуток между ними подносят на бумажке кучку очень мелких железных опилок. Опилки предварительно обезжириваются промывкой в эфире. Часть их пристает к полюсам, образуя магнитный мостик к. Этот-то мостик и служит кохэрером[16] приемной станции. Он не проводит тока от батареи, но стоит нажать кнопку R станции отправления, и, под влиянием достигших до него волн искрового разрядника i, мостик начинает проводить ток, так что экспериментатор одновременно со звоном первого звонка слышит и звон второго.

Не думаю, чтобы подобный прибор мог иметь какое-нибудь практическое значение, например служить в домашнем быту для беспроволочной сигнализации от звонка в передней к звонку в кухню, но педагогическое значение его весьма велико.

Можно перегородить звонки друг от друга листом картона, и тем не менее при нажатии на кнопку станции отправления звонит и звонок приемной станции. Разрушать проводимость приходится примитивным способом, стряхивая кучку опилок пальцем и потом вновь поднося к концам спиц бумажку с опилками.

Думаю, что каждый любитель, который затратит несколько минут на обращение своих звонков в беспроволочный телеграф, останется доволен произведенным опытом.

Простейший искровой телеграф

Не потребует от вас большого труда устройство приемной и отправительной станции искрового телеграфа с значительно большим радиусом дальнодействия, чем при телеграфировании при помощи двух звонков.

Отправительная станция этого телеграфа (А, рис. 39) состоит из двух скляночек аа, заткнутых парафинированными пробками, сквозь которые пропущены вязальные спицы bb, расположенные на одной прямой и сближенные остриями на расстоянии около 5 мм друг от друга. Эти спицы, являющиеся простейшими антеннами, вблизи пробок соединены с разноименными полюсами спирали Румкорфа. При работе последних между остриями спиц перескакивает разрядная искра, возбуждающая электрические волны, улавливаемые приемной станцией.

Рис. 39

Приемная же станция (В, рис. 39) состоит из двух таких же спиц – антенн аа, укрепленных на деревянной дощечке b при помощи клемм сс. Расстояние между остриями спиц приблизительно вдвое меньше, чем на станции отправления. Спицы намагничены и соединены мостиком из железных опилок. Для этого опилки, тщательно отмытые от жира эфиром или крепким спиртом, подносятся снизу к остриям на листке бумаги. Намагниченные концы спиц их притягивают и при их посредстве соединяются друг с другом. Это будет простейший вид так называемого кохэрера, отзывающегося улучшением проводимости тока на дошедшие до него волны станции отправления. Такой приемник включают в цепь, состоящую из батареи из двух сухих элементов е и чувствительного гальванометра ƒ.

В момент достижения электрической волной со станции отправления кохэрера приемной станции стрелка гальванометра вздрагивает. Постучав слегка пальцем по доске А, вновь расстраивают проводимость кохэрера, и приемная станция вновь становится способной принять сигнал отправительной станции.

Несмотря на идеальную простоту устройства такого «телеграфа», он действует на расстоянии до двух метров и, что особенно эффектно, может передавать сигналы через толстую каменную стену. Поставив «станцию отправления» на столе у стены какой-либо комнаты, «приемную станцию» можно установить в соседней комнате с другой стороны стены.

Как только помощник при ваших опытах замкнет ток катушки на первой станции, вы в тот же момент увидите, как дрогнет стрелка гальванометра на второй.

Надо только не упускать из виду, что при установке станции спицы, являющиеся отправительной и принимающей антеннами, должны быть параллельны друг другу.

Беспроволочный телеграф посложнее

Предыдущую схему искрового телеграфа можно немного усложнить, сделав ее более приближающейся по устройству к моделям первых по времени конструирования станций телеграфа без проводов и увеличив дальнодействие еще примерно впятеро, сравнительно с предыдущей установкой. Таким телеграфом можно уже обмениваться условными сигналами из квартиры в квартиру.

Рис. 40

Передающая станция его (А, рис. 40) состоит из деревянной дощечки а с набитым на нее листком тонкой жести b размерами 20x40 см и вертикально установленной антенной с. Антенна делается из латунной проволоки диаметром 2 мм и имеет высоту около полуметра. Вбивается она в доску на расстоянии 6 см от оловянного листа. Примерно на высоте 10 см к антенне припаивается отрезок такой же проволоки, из которой сделана антенна, изогнутый под прямым углом и заканчивающийся медным шариком в 1 см диаметром; под ним устанавливается жестяная чашечка или коробочек е с припаянным внутри его в центре дна латунным шариком такого же размера, как верхний.

Расстояние между шариками подбирается опытным путем так, чтобы сигналы станции отправления возможно отчетливей воспринимались станцией получения, примерно оно не превосходит 2 мм. В чашечку наливается керосин или какое-нибудь масло, чтобы усилить мощность искры, заставив ее проходить в более плохо проводящей, в сравнении с воздухом, среде, и чтобы предупредить изменение химического состава поверхности шариков (окисление).

Для получения искровых разрядов между шариками антенну с и жестяной лист b соединяют с разноименными электродами вторичной обмотки спирали Румкорфа, питаемой током батареи g.

Совершенно так же поначалу делается и станция приема волн. На дощечке а таких же размеров прибивается лист жести b и укрепляется приемная антенна с, все тех же размеров, как и на отправительной станции, но дальше ведут устройство иначе. Антенну соединяют с жестяным листом через кохэрер d, укрепленный одним полюсом у антенны, а другим в клемме вертикальной стойки е. Стойка делается из отрезка такой же проволоки, как взятая для антенны, и проходит сквозь жестяную набивку, касаясь ее. Антенна звонковой медной проволокой соединяется сверх того с батареей g обыкновенным электрическим звонком ƒ и далее со стойкой е (В, рис. 40).

Кохэрер представляет собой стеклянную трубочку длиной около 5 см с внутренним диаметром 3 мм. Внутрь ее вводятся латунные скошенные под углом электроды, сближенные между собой на расстояние 2–3 мм. Между ними насыпаются декапированные (обезжиренные) железные опилки, а лучше серебряные или хотя бы никелевые.

В момент замыкания тока на станции отправления опилки под влиянием первой же дошедшей до них электрической волны, излученной отправительной станцией, становятся, как мы уже знаем, проводником тока, замыкая ток местной батареи g, который приводит в действие звонок ƒ.

Легкий удар по стеклянной трубочке кохэрера разрушает сцепление опилок, и кохэрер вновь становится готов к приему следующего сигнала со станции отправления.

Такое восстановление действия кохэрера можно сделать автоматическим, укрепив звонок в непосредственной близости к нему так, чтобы молоточек звонка при обратном движении ударял по стеклянной трубочке с опилками. Это усложнение прибора дает возможность принимать им условные сигналы, состоящие из ряда более или менее часто следующих друг за другом ударов звонка.

В первоначальных конструкциях искрового телеграфа вместо звонка включался телеграфный аппарат, а ток на станции отправления замыкался и размыкался телеграфным ключом; получаемые сообщения записывались азбукой Морзе или принимались прямо на слух.

Модель грозоотметчика

Как быть такому любителю, у которого нет катушки Румкорфа, но есть желание убедиться личным опытом в возможности сигнализации на расстояние без проводов?

Отсутствие индукционной спирали – «зло еще не столь большой руки», был бы налицо хоть какой-нибудь источник искрового разряда до электрофора включительно или электростатической машины, дающей искры даже всего в 1 мм длиной.

Такая машина заменит нам не только спираль Румкорфа, но и всю отправительную станцию в целом.

Нужно соорудить только одну из описанных выше приемных станций, а это, как мы видели, дело несложное.

Конечно, так как разряды машины, в сравнении с кажущимся непрерывным искровым разрядом спирали Румкорфа, весьма редки, то для подачи телеграфных сигналов машина не пригодна, являясь, в сущности, моделью не беспроволочной отправительной станции, а прибором для воспроизведения крохотных искусственных молний.

Таким образом, и приемная станция с электрическим звонком вместо пишущего телеграфа Морзе обращается в модель грозоотметчика.

Но ведь именно грозоотметчик и был первым прибором, сконструированным русским изобретателем искрового телеграфа Поповым. Следовательно, со стороны поучительности наша установка окажется вполне удачной.

В момент проскакивания искры между кондукторами машины звонок приемной станции дает один удар, так как молоточек звонка немедленно нарушает проводимость кохэрера, приобретенную последним в момент достижения до него волны.

Выведение из цепи кохэрера подтверждает, что здесь ток в цепи возникает не под влиянием индукции, а течет из постоянного источника тока, когда кохэрер, став проводником, замкнет ток.

Кондукторы статической машины при этом опыте следует сблизить насколько возможно и выключить конденсаторы, имеющиеся при машине, чтобы искровые разряды следовали по возможности чаще один за другим.

Правда, при этом приходится довольно близко располагать машину около приемной станции, не разделяя их толстым слоем диэлектрика, но все же можно отодвинуть маленькую приемную станцию от машины, дающей искру в 1 мм, на 1,5–2 метра. При этом легко демонстрировать проводимость электрических волн диэлектриками и отражение их металлическими экранами, ставя между станциями и машиной в первом случае – толстую доску, во втором – тонкий железный лист.

Раздвигая кондукторы на расстояние 5 мм и включая лейденские банки для усиления мощности разряда, можно заставить, в редкие моменты появления искры между кондукторами, звонить звонок приемной станции, удаленной от машины на несколько метров, и отделяя станцию от машины (для чего машину уносят в соседнюю комнату) толстой каменной стеной.