Занимательная электротехника на дому

Телемеханика

Электротехника интересна тем, что, как ни много она дала современному человечеству, в будущем она обещает дать еще больше.

Надо думать, что уже в сравнительно близком будущем наряду с телеграфной и телефонной радиосвязью получит распространение также и телемеханическая связь, то есть приведение в действие машин-двигателей и управление ими на расстоянии при помощи электрических волн.

Уже и в наше время отдельные опытные установки подобного рода неоднократно осуществлялись многими конструкторами. Не раз уже публично демонстрировалось управление на расстоянии, сначала моделями дирижаблей, лодок и автомобилей, а затем и настоящими воздушными, водными и сухопутными средствами транспорта.

Пускали, например, ехать по улице автомобиль без шофера или, вернее, с шофером, едущим за автомобилем на мотоциклете, заставляли маневрировать подводную лодку или военное судно, на бортах которого не было ни единого пассажира, ни одного человека экипажа, посылали аэроплан лететь без авиатора и т. п. Такие автомобили, суда и аэропланы ехали, плыли и летели по заранее намеченному направлению, обходили препятствия, делали повороты и остановки и возвращались назад к месту своего отправления.

Подводные лодки при этом пускали в нужный момент мину в поставленную мишень, а аэропланы сбрасывали бомбы в намеченную цель, словом, все они действовали так, как бы ими управляла разумная воля человека. Оно так и есть: они и управляются человеком, но находящимся на известном и притом более или менее далеком от них расстоянии.

Такое управление на расстоянии, давно производимое при помощи проводов электрического тока, если оно совершается без их посредства, прямо через воздух, и называется телемеханикой.

Идея такого управления крайне проста, но осуществление ее весьма сложно и пока еще не вышло из стадии предварительных опытов.

Чтобы понять, на чем основана телемеханика, включим в нашу приемную станцию беспроволочного телеграфа вместо электрического звонка модельку электромотора.

Отодвинув от него станцию отправления электрических волн на наибольшее, допускаемое ее мощностью, расстояние, замкнем ток, питающий спираль Румкорфа. Тотчас между шариками разрядника проскочит искра, и в тот же момент замкнется местный ток на приемной станции, и ваша модель электромотора придет в движение.

Идея, как видите, идеально простая, но даже и такой несложный опыт дает представление о трудностях решения более сложной задачи: не только пуска какого-нибудь двигателя в ход, но и дальнейшего управления им.

Как, например, остановить теперь наш двигатель? Дошедшая со станции управления волна привела опилки кохэрера в состояние проводимости тока, и двигатель заработал. Чтобы он перестал вращаться, надо выключить ток, надо со станции управления двигателем нарушить проводимость кохэрера.

Для этого можно бы было установить над ним молоточек электрического звонка, введя последний в особую цепь из источника тока и второго приемника волн, отзывающегося на волны иной длины, чем кохэрер, соединенный с мотором. Тогда, посылая со станции управления волну, действующую на этот приемник, можно привести в движение молоточек звонка, который одновременно ударит как по кохэреру мотора, так и по своему и тем вернет всю установку в первоначальное положение, остановив мотор и в то же время сделав возможным новый пуск его в действие и новую его остановку.

Кстати замечу, что кохэрер – это, так сказать, область истории радиосвязи. Теперь он заменен другими, более сложными, но и более чувствительными приспособлениями, отзывающимися на дошедшую до них волну.

Еще о телемеханике и об электрических волнах

Электрическая волна бежит от места своего возникновения по всем направлениям, и бежит со скоростью, которую нам трудно себе даже представить. Это – скорость света, равная 300 000 км в секунду.

Чем чаще посылает источник волн все новые и новые волны в пространство, тем короче каждая из них будет.

Путем усложнения отправительной станции волн можно не только посылать волны определенной длины, но и, меняя скорость их образования (частоту колебаний), менять эту длину в известных пределах.

Усложняя же станцию приема волн, можно заставить ее отзываться только на волны определенной длины, не реагируя на другие. Ведь число волн, несущихся в каждый данный момент в пространстве, необычайно велико.

Бушует где-то гроза, сверкает молния за молнией, вызывая мощные волны, посылает их громадная станция дальней передачи речи, нервно выстукивая телеграфным ключом, бросает волну за волною в пространство радиотелеграфист гибнущего судна в океане, и тысячи коротеньких, но также далеко несущихся волн шлют друг другу многочисленные радиолюбители. Этот хаос электрических волн усиливается волнами, образуемыми проводами переменного тока, питающего городские и фабричные сети, осложняется сотнями других источников, до любой работающей спирали Румкорфа или звонящего у вас в передней электрического звонка.

Как разобраться в этом хаосе? Как выделить волны той станции, передачу которой желаем принять? Как помешать действовать «паразитным», никаких сигналов не передающим волнам трамвая или дугового фонаря на наши приемные станции?

Много приспособлений, подчас весьма сложных, придумано для этого, но, несмотря на эту сложность, можно понять, к чему они сводятся, чего они достигают, из маленькой аналогии.

Если вблизи рояля с откинутой крышкой взять на скрипке определенную музыкальную ноту, то на нее отзовется только та струна, которая настроена на ту же самую ноту, остальные же будут молчать.

Есть способы, о которых по их сложности здесь говорить не стану, не только настроить приемную станцию на волны определенной длины, но и менять эту настройку, то есть по желанию принимать то более длинные, то более короткие волны.

Поэтому-то, например, на домашней станции радиотелефона можно выслушивать передачу определенной станции, длина волн которой известна, и более или менее освободиться от действия на приемник паразитных и мешающих волн. В большинстве случаев, к сожалению, менее, чем более, так как абсолютная резкость настройки, в особенности на любительской станции, это почти недостижимый идеал.

Вернемся к телемеханике. В аппаратах, управляемых на расстоянии, устанавливают несколько отдельных приемников, соединенных с различными двигателями, настроенными каждый на определенную волну. Один, скажем, отзывается на волну, пускающую машину судна в ход, другой – на поворачивающую судовой руль вправо, третий – на приводящую в действие аппарат для выбрасывания мин и т. д. Дело крайне усложняется тем, что все эти приемники не только не должны отзываться на случайно доходящие волны иной длины, но и оставаться глухими на такие же волны, которые посылаются управляющими ими издали станциями, если эти волны идут из другого источника.

Вообразим, быть может за сотни верст от нас, управляемый аэроплан, несущийся к нам и грозящий сбросить на нас бомбу. Разве нельзя с какой-нибудь нашей ближайшей станции послать волну, которая бы раньше, чем аэроплан долетит до нас, заставила бы его сбросить свое смертоносное оружие? Быстро меняя длину посылаемых волн, можно в числе их отправить такую, на которую как раз отзывается его приемник волн, управляющий бомбометным аппаратом.

Как же защитить телемеханически управляемый аэроплан, корабль или танк от такого действия посторонних станций?

Это является секретом конструкторов подобных приборов, но, по-видимому, сводится к тому, что помимо определенной длины волны их приемники отзываются на определенную частоту изменения этой длины, на, так сказать, пульсацию тока волн.

При такой двойной настройке противник, чтобы нарушить правильность действия телемеханического двигателя, должен подобрать не только длину волны, но и частоту модулирования, а это создает бесчисленное множество комбинаций.

Электроакустика

Чтобы в главных чертах понять, на чем основана передача без проводов речи, а не только условных телеграфных сигналов, нам необходимо предварительно познакомиться с принципом действия обыкновенного телефона.

Телефон – это приспособление для преобразования энергии звука в электрическую энергию и обратно – трансформации этой последней снова в звук.

Установки, в которых происходит первое преобразование, могут быть при этом значительно удалены от установок, предназначенных для второго рода трансформации, находясь в соединении друг с другом проводами тока. Проще сказать, места, где говорят в телефон и где в него слушают, могут находиться на большом расстоянии друг от друга.

Обычно станция, передающая речь, является и станцией, принимающей ее, и обратно. Словом, по обыкновенному телефону с проводами можно беседовать с человеком, живущим в удаленном от вас другом доме и даже в другом городе.

В этом его преимущество перед радиотелефоном в современном состоянии последнего. Пока свободный разговор по беспроволочному телефону еще не осуществлен.

Когда же это будет достигнуто, то, вероятно, телефон с проводами отойдет в область истории техники.

Вы, вероятно, знаете, что звук распространяется волнами в материальной среде. В абсолютной пустоте звуки не могут быть слышны. Говоря, приводят в волнообразное движение воздух, и эти волны, дойдя до барабанной перепонки уха слушающего, заставляют ее дрожать.

Если же говорить перед упругой железной пластинкой (диафрагмой), помещенной перед магнитом, то она, как и барабанная перепонка нашего уха, начинает колебаться, то приближаясь, то удаляясь от магнита и тем то усиливая, то ослабляя его намагниченность. Если такой магнит обернут тонкой проволокой, то в проволоке, в момент изменения силы магнита, станут пробегать наведенные (индуктивные) токи. Обратно: если менять силу тока в такой обмотке, то в магните, который она обвивает, сила его магнитного притяжения будет то возрастать, то убывать, то сильнее, то слабее притягивать помещенную перед ним железную пластину. Последняя при этом начнет звучать.

Теперь еще одно напоминание. Я уже говорил раньше, что сила тока в проводнике зависит от его сопротивления (прохождению тока). Если это сопротивление убывает, то сила тока возрастает, если оно увеличивается, то сила тока уменьшается.

На этом законе основано устройство микрофона, аппарата, меняющего силу тока в цепи под влиянием производимых перед ним звуков.

Если перед микрофоном говорить, то звуки речи меняют силу тока в проводах, в которые он включен; это изменение силы тока вызывает изменение магнитного притяжения в аппарате, воспроизводящем речь, заставляя колебаться и звучать тонкую железную пластинку. При этом она в точности повторяет звуки, произнесенные перед микрофоном.

Как видите, такая передача речи сводится в действительности к передаче по проводу тока, в который преобразуются звуки на передающей станции и который вновь трансформируется в звук на принимающей станции. Построим такой телефон в его простейшей форме, и тогда мое объяснение, если вы в нем не смогли еще разобраться, станет вам, надеюсь, вполне ясным.

Модель телефона

Соедините две деревянные дощечки а и b размерами 8x5 см под прямым углом (рис. 41). В вертикальной дощечке прорежьте два прямоугольных отверстия шириной 1 см и высотой 0,5 см и вставьте плотно в них две угольные пластинки с, с. На концах пластинок высверлите ямки, снизу на верхней и сверху на нижней. В этих ямках довольно плотно укрепите вертикально третий уголек, имеющий вид цилиндрической палочки, диаметром около 5 мм, с остро зачиненными концами так, чтобы при малейшем толчке, испытываемом прибором, стерженек легко перемещался. Противоположные концы горизонтальных углей соедините с разноименными полюсами батарей из двух элементов Лекланше – один непосредственно, а другой через нижеописанный телефон.

Рис. 41

Проводом вам послужит медная изолированная шелком проволока диаметром около 0,3 мм. Она, как видно из рисунка, обматывается на середине своей длины в несколько слоев ƒ вокруг длинного (сантиметров десяти) гвоздя g из мягкого железа под его шляпкой.

Когда это будет сделано, кружок пергамента слегка увлажняют, растягивают и плотно зажимают между двумя деревянными плоскими кольцами h и і диаметром 6 см, свинчивая их друг с другом.

Впрочем, раньше чем их свинтить, следует ввести между ними концы полосок белой жести кк, шириной около 5 мм, а длиной около 12 см. После того как пергамент просохнет и туго натянется, снизу в центре к нему сургучом приклеивают кружочек I из мягкого железа (из черной жести); жестяные полоски кк изгибают, согласно рисунку, и припаивают тинолем нижние их концы к середине гвоздя так, чтобы железка I отстояла от шляпки гвоздя на 0,5 мм.

Нижняя часть гвоздя в два ряда обматывается обыкновенной звонковой проволокой, соединенной с полюсами батареи из трех элементов Лекланше.

Наш телефонный аппарат готов. Говорить-то при его посредстве нельзя, микрофон для передачи речи слишком груб, а самый телефон недостаточно чувствителен, но передать звуки на расстояние можно. Если провода, соединяющие телефон с микрофоном, достаточно длинны, то можно унести микрофон и батарею в другую комнату или даже за несколько комнат и попросить вашего помощника царапать пальцем по дощечке b микрофона или положить на нее карманные часы. Приложив к уху кольцо i телефона, вы отчетливо услышите самое слабое царапанье пальцем по дощечке микрофона и громкое тиканье часов, удаленных от вас за несколько комнат.

На таком расстоянии непосредственно эти слабые звуки не слышны. Они, собственно говоря, не слышны и по телефону; в телефоне, как я сказал, слышны звуки, воспроизводимые в нем током, совершенно подобно звукам, действовавшим на микрофон. Дрожание дощечки b передается угольному стерженьку, он колеблется, то плотнее, то легче опираясь на угольные пластинки, соединенные с проводами батареи е, и тем меняя сопротивление цепи и, следовательно, силу тока в обмотке ƒ. Ток батареи, проходя по обмотке, возбуждает в железном гвозде магнетизм, а меняющийся ток обмотки ƒ то усиливает этот магнетизм, то ослабляет, отчего железная наклейка пергаментной диафрагмы то приближается к шляпке гвоздя, то удаляется, причем диафрагма колеблется и звучит.

Кое-что о радиоприемных станциях

В приемной установке телеграфа без проводов, как мы убедились на моделях собственного устройства, токи станции отправления вызывают появление тока на станции получения. Заменяя сигнальный звонок или телеграфный аппарат, реагирующие (отзывающиеся) на появление этого тока, телефоном можно принимать подаваемые станцией отправления сигналы на слух. Сравнительно долгое время этим и ограничивалось применение телефона в радиопередаче. В него слушали не слова, а перемежающиеся звуки, соответствующие знакам телеграфной азбуки.

В дальнейшем, после введения многих усовершенствований как в отправительные, так и принимающие станции, после того как научились посылать незатухающие непрерывные волны и пропускать через обмотку телефона только идущие в одном направлении токи[17], смогли непосредственно выслушивать словесные сообщения со станции отправления или музыкальные пьесы, воспроизводимые перед ее микрофоном.

В этом случае станция отправления посылает в пространство незатухающие волны, амплитуда которых под влиянием токов цепи, в которую включен микрофон, меняется соответственно изменению звуков, воспринимаемых микрофоном.

На станции получения возбужденные токи проходят через особое приспособление, пропускающее ток только в одном направлении. На телефонную диафрагму приемной станции действуют прерывистые, но очень быстро следующие друг за другом токи, то усиливающиеся, то ослабевающие и колеблющие ее совершенно так же, как колебалась диафрагма микрофона на станции отправления. Поэтому и мембрана (диафрагма) телефона, в который принимают сообщения на станции получения, звуча, воспроизводит (регенерирует, говоря ученым словом) звуки, раздающиеся где-нибудь за сотни, тысячи, а то и десятки тысяч километров на отравительной станции.

В настоящее время выработаны, хотя еще далеко не дешевые, компактные станции приема сообщений и концертов, передаваемых мощными отравительными станциями. Имеется обширная литература по устройству таких самодельных любительских станций. В сущности говоря, они все самодельны лишь отчасти, самые же существенные принадлежности таких станций все равно приходится покупать готовыми и лишь включать их в установку.

Даже в самой наипростейшей радиоприемной станции, единственной, с которой я берусь вас ознакомить в этой книжке, все же не обойтись без покупного телефона.

Простейшая радиоприемная станция

Зато, кроме телефона, нам при устройстве этой станции ничего покупать не придется. Антенной (приемником электрических волн) послужит нам любое высокое дерево а. Вбейте в него (рис. 42) до самой заболони гвоздь b, укрепите над шляпкой последнего оголенную звонковую проволоку и соедините ее противоположный конец с лезвием с от безопасной бритвы, положенным горизонтально на какую-нибудь не проводящую ток подставку.

Рис. 42

Вбейте почти до самой перекладины крокетную железную дужку d в сырую землю, соединив ее с одним из проводов телефона е, другой же его провод соедините с графитом остро заточенного твердого карандаша ƒ. Приложив телефон к уху и придерживая его одной рукой, другой держите вертикально карандаш, водя его острием по поверхности лезвия. Это будет простейший детектор (но и хуже других действующий), пропускающий ток в телефон лишь в одном направлении. При удаче, находясь вблизи одной из станций отправления, вы сможете в телефон уловить сигналы времени, посылаемые станциями, или отрывочные знаки телеграфной азбуки, но на выслушивание концертов, исполняемых где-либо мировыми знаменитостями, через такой примитивный приемник не надейтесь.

Все же устройство такого примитивного приемника – дело занимательное. Оно требует так мало времени и настолько каждому доступно, что было бы непростительно им не попробовать заняться на досуге когда-нибудь в летнее время.

Заключение

Заканчивая книжку о занимательной электротехнике, заявляю, что и в ней далеко не исчерпана почти безграничная область любительских приложений электротехники, что, пользуясь и этой книжкой, любитель, на основании ее содержания, еще более может расширить круг самостоятельных применений различных электротехнических установок. Мне кажется, теперь он может без особого труда придумать десятки новых вариаций опытов с катушкой Румкорфа и приспособлений ее для целей домашней электрификации, применений тока городской сети для утилизации разнообразных тепловых и механических установок, усложнить опыты с трубками Гейслера и, пользуясь обильной литературой на эту специальную тему, попытаться соорудить собственную приемную, а в дальнейшем, быть может, и отправительную радиостанции, могущие действовать не в исключительно благоприятных, случайных условиях, а работающие без отказа.

Должен, однако, предупредить, что не только постройка таких «настоящих» станций, а не схематических их моделей, но и пользование ими требуют отчетливого представления о теоретических основаниях их устройства. Эти основания сами по себе достаточно сложны, так что говорить о них не пытаюсь и не считаю эту задачу легко выполнимой.

Оттого-то и наблюдается среди лиц, накинувшихся на устройство собственных радиоприемных станций, немалое разочарование, что большинство этих лиц не отдает себе отчета в теоретических основаниях устройства и действия этих станций.

Даже дорогие радиоприемники, выполненные и установленные специалистами, зачастую быстро приходят в негодность при неумелом пользовании ими. Это нередко забывается и служит причиной упомянутого разочарования радиоприемниками.

Возможно, однако, что постепенно упрощение их устройства, пока еще далеко не достигнутое, приведет со временем к выработке таких типов приемных и отправительных радиоустановок, пользование которыми будет действительно доступно всем и каждому.

Пока таких станций, для сношений каждого обитателя земного шара с любым другим его жителем, не существует, хотя к изобретению их и стремятся ученые – электротехники.

Быть может, настанет то время, когда мы путем недорогих и портативных аппаратов будем обмениваться мыслями с нашими антиподами.

Быть может, настанет такое время, когда телемеханика решит и вторую свою задачу – не только приводить в движение или останавливать двигатели на расстоянии, но и самую энергию их движения посылать им со станции ее выработки.

Пока источники этой энергии (динамо, аккумуляторы, гальванические элементы) находятся там же, где установлены приводимые ими в действие моторы, а издали умеют только прерывать или замыкать электрический ток этих источников; в дальнейшем, надо надеяться, смогут и самый ток передавать моторам без проводов, как сейчас отсылают его за сотни и тысячи верст от центральных станций к электромоторам, связанным с этими станциями проводами.

Эти великие возможности электротехники будущего делают ее тем более занимательной, чем ближе мы знакомимся с ее современным состоянием.

Хотел бы я надеяться, что и мои книжки отчасти поспособствуют такому знакомству и пробудят у читателя желание планомерно изучить эту интереснейшую отрасль техники наших дней.