Радио

Электромагнитные волны, излучаемые антенной радиопередатчика, как и любые другие волны, обладают энергией. Часть этой энергии, достигая места приема, воздействует на антенну радиоприемника. Благодаря электромагнитной индукции электроны, находящиеся в проводе антенны, приходят в движение — в нем начинает течь переменный электрический ток, частота которого соответствует длине принимаемой электромагнитной волны. Этот ток и улавливается приемником.

Чем выше частота электрического тока, т. е. чем короче длина электромагнитной волны, тем интенсивнее излучается энергия.

Это одна из причин того, что для радиосвязи применяются быстропеременные токи (или, как называют их теперь, токи высокой частоты), а не обычный переменный ток.

В первых опытах А. С. Попова передатчиком служил очень несовершенный вибратор Герца. Его наиболее существенный недостаток легко пояснить на сходном примере из области звука.

Представьте себе, что вы находитесь среди большой толпы, и каждый человек в ней что-то говорит соседу. Звуки отдельных голосов сливаются в один сплошной гул, в котором трудно что-либо разобрать. Если вам нужно сообщить что-то соседу, вы, стараясь перекричать толпу, повышаете голос. Но если каждый последует вашему примеру, общий гул усилится, и понять что-либо станет еще труднее.

То же происходило и на заре развития радио. Чем больше становилось радиопередатчиков, чем более повышалась их мощность, тем сильнее они мешали друг другу. Казалось бы, из создавшегося положения трудно найти какой-нибудь выход. Однако эти временные трудности были вскоре преодолены. Чтобы выделять ту или иную передачу, стали использовать явление резонанса. А что такое резонанс?

Две гитарные или скрипичные струны, настроенные на одинаковый тон, колеблются с одной и той же частотой. Ударьте по одной из струн. Вторая тотчас отзовется.

Такое явление и называется резонансом (слово «резонанс» означает отзыв, отклик).

Любое упругое тело — струна, пружина и т. д. — после толчка начинает колебаться с определенной частотой, зависящей от размеров и формы колеблющегося тела, а также материала, из которого оно сделано. Эта частота получила название собственной.

Резонанс наблюдается тогда, когда собственная частота струны, пружины или маятника совпадает с частотой внешних толчков. При резонансе оказывается достаточно сравнительно небольшой затраты энергии, чтобы поддерживать сильные колебания какого-либо тела. Так, например, даже ребенок может раскачать тяжелые качели, если будет толкать их в такт колебаниям.

Человеческое ухо воспринимает широкую полосу звуковых частот. Но представьте себе, что мы можем настраивать его на определенный тон, как настраивают струны музыкального инструмента. Тогда оно будет «откликаться» (резонировать) только на этот тон, а все остальные звуковые колебания окажутся неслышными.

Если бы подобная «настройка» наших органов слуха и речи была возможна, то в толпе люди, разговаривая между собой «на разных частотах», не испытывали бы помех со стороны соседей.

Теперь перейдем от фантазии к действительности, ибо то, что было фантазией, когда мы говорили о человеческой речи, оказалось вполне осуществимым в области радио.

Для устранения помех при радиоприеме нужно, чтобы передатчики разных радиостанций создавали колебания разных частот, излучали в пространство электромагнитные волны различной длины, а приемники могли воспринимать колебания только тех частот, на которые настроены. Тогда, желая услышать передачу определенной радиостанции, надо настроить радиоприемник на частоту, или, как говорят чаще, на волну этой станции.

Для радиотехники, кроме резонанса, важное значение имеет постоянство частоты колебаний во времени.

Перед началом игры оркестра бывают слышны тягучие однообразные звуки. Это музыканты настраивают струнные инструменты. Во время выступления, длящегося иногда часами, звуковые волны различных инструментов должны быть строго согласованы. Стоит одному инструменту немного расстроиться, и взыскательный слушатель сразу скажет, что оркестр «фальшивит».

Постоянство частоты колебаний во времени называется ее стабильностью. Из нашего примера видно, что частоты колебаний, создаваемых музыкальными инструментами, должны быть очень стабильными. Но еще большие требования к стабильности частоты предъявляются при радиопередаче. Если частота радиопередатчика понемногу изменяется, то приемник приходится все время подстраивать. Кроме того, при плохой стабильности волны различных радиостанций могут «наезжать» друг на друга, создавая взаимные помехи.

В первые годы развития радио так оно и было. Но с течением времени радиопередатчики непрерывно совершенствовались. Искровые передатчики, применявшиеся еще А. С. Поповым, отошли в прошлое. На смену им появились «дуговые», в которых электрические колебания создавались не прерывистой искрой, а постоянно горящей электрической дугой. Дуговые радиопередатчики просуществовали недолго. Их сменили электрические машины, подобные тем, которые применяются для создания переменного тока в осветительных сетях. Однако и машинные передатчики были вынуждены уступить место так называемым ламповым генераторам (слово генератор происходит от слова генерировать, т. е. возбуждать, создавать). Ламповые генераторы применяются и поныне.

Современный передатчик — чрезвычайно сложное устройство. Но понять, как он работает, нетрудно, если предварительно познакомиться с работой одного гораздо более простого прибора, который имеет с ним ряд общих черт. Этот прибор — обыкновенные стенные часы.

Качните маятник незаведенных часов. Он начнет колебаться, однако размах его колебаний будет постепенно уменьшаться, пока, наконец, маятник не остановится. Такие колебания называют затухающими. Их затухание происходит вследствие различных потерь энергии: из-за трения маятника в опорах, сопротивления воздуха и т. д.

Чтобы колебания не затухали, необходимо все время восполнять потери энергии. В часовом механизме для этого служит пружина или гири. Заводя пружину, вы совершаете какую-то работу, расходуете определенную энергию. Эта энергия накапливается в пружине.

Пружина — упругое тело. Она стремится раскрутиться и принять первоначальную форму. Та сила, с которой раскручивается пружина, передается системе зубчатых колес, а от них — маятнику. Маятник, получая толчки в такт своим колебаниям, колеблется с одинаковым размахом, пока пружина не раскрутится настолько, что перестанет восполнять потери энергии при колебаниях.

Колебания, происходящие с одинаковым размахом, называют незатухающими.

Таким образом, часы состоят из трех основных частей. Одна из них — маятник — предназначена для создания колебаний определенной частоты (частота колебаний маятника зависит от его длины). Вторая часть — пружина — служит источником энергии, восполняющим потери в маятнике. Третья — зубчатый механизм — передает энергию от пружины к маятнику.

В часах происходит переход энергии, накопленной пружиной, в энергию колебаний маятника. Нечто подобное наблюдается и в радиопередатчике. Там происходит преобразование энергии постоянного тока, накопленной источником электричества, в энергию электрических колебаний. Роль маятника в современном передатчике играет колебательный контур, роль пружины — источник постоянного тока и, наконец, роль зубчатого механизма — электронная лампа.

Посмотрим, как работают эти основные части радиопередатчика.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАЯТНИК

Колебательный контур состоит из двух деталей — катушки индуктивности и конденсатора.

Катушка индуктивности — это проволочная спираль, обычно намотанная на основание из какого-либо материала, не проводящего электрический ток.

Простейший конденсатор представляет собой две плоские металлические пластины, расположенные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга.

Внешний вид и схема колебательного контура показаны на рис. 6.

Рис. 6. Внешний вид и схема колебательного контура.

Прежде чем рассмотреть работу «электрического маятника», познакомимся с действием его частей — катушки индуктивности и конденсатора.

В повседневной жизни нам часто приходится сталкиваться с явлением инерции. Под словом «инерция» подразумевают свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Часто можно наблюдать, как движется автомобиль или трамвай с выключенным мотором, как едет велосипедист, не вращая педалей. Такое движение обусловлено инерцией.

Чтобы сдвинуть с места тяжело груженный вагон, нужно приложить большую силу. Как только вагон тронулся, двигать его становится гораздо легче. Чтобы затормозить движение такого вагона, вам снова придется приложить очень большую силу. Это еще пример инерции.

На валах многих машин устанавливают маховики — массивные колеса, сглаживающие толчки вращающихся валов. Чтобы раскрутить или, наоборот, остановить маховик, также нужна большая сила, потому что чем массивнее тело, тем больше его инерция, тем сильнее оно сопротивляется всякому изменению его состояния.

Катушка индуктивности очень напоминает маховик. Она обладает своего рода инерцией по отношению к электрическому току.

Если полюсы электрической батареи замкнуть прямолинейным проводником, то в такой цепи мгновенно установится наибольшая сила тока. Значит, электрическая «инерция» прямого провода ничтожно мала.

Если же к батарее подключить катушку индуктивности, то сила тока достигнет максимальной величины не сразу, а постепенно, спустя некоторый промежуток времени. Этот процесс будет происходить тем медленнее, чем больше витков провода содержится в катушке. Таким образом, катушка индуктивности обладает электрической «инерцией», которая возрастает с увеличением числа витков.

Индуктивность катушки препятствует не только быстрому возрастанию тока при замыкании цепи, но и его падению в момент размыкания. Иными словами, подобно тому как инерция противодействует всякому изменению скорости движения тел, индуктивность оказывает сопротивление всякому изменению силы электрического тока.

Теперь обратимся к конденсатору. Каково его действие? Конденсатор вмещает определенный электрический заряд, так же как сосуд вмещает определенное количество жидкости. Чем больше площадь пластин конденсатора и меньше расстояние между ними, тем выше его емкость, т. е. тем больший заряд он может вместить.

Чтобы «зарядить» конденсатор, нужно подключить его к полюсам электрической батареи. При этом на одной пластине («обкладке») конденсатора сосредоточится положительный заряд, а на другой — отрицательный. Если теперь отключить конденсатор от батареи и замкнуть обкладки проводником, то произойдет мгновенный разряд конденсатора — по проводнику протечет ток, и заряды уравновесят друг друга. Если конденсатор замкнуть прямолинейным проводником, то наибольший ток потечет в первый момент; по мере разряда сила тока будет падать и упадет до нуля, когда конденсатор совсем разрядится.

Другое дело, если к обкладкам конденсатора присоединить катушку индуктивности. В такой цепи вследствие ее большой электрической «инерции» максимальная сила тока установится не сразу. Ток, проходящий по катушке, будет возрастать постепенно и достигнет наибольшей величины, когда конденсатор полностью разрядится.

Казалось бы, в этот момент ток должен мгновенно прекратиться — ведь конденсатор полностью разрядился! Но попробуйте мгновенно остановить быстро мчащийся поезд. Такая попытка обречена на неудачу — скорость поезда будет уменьшаться постепенно.

Точно так же и движение электрических зарядов в силу «инерции» катушки не прекратится сразу, как только конденсатор разрядится. За счет энергии, накопленной катушкой, ток некоторое время будет течь в ту же сторону, что и раньше, постепенно убывая. При этом конденсатор вновь станет заряжаться, но на этот раз на той обкладке, где раньше был положительный заряд, начнет сосредоточиваться отрицательный, и наоборот. В тот момент, когда конденсатор снова зарядится, сила тока в цепи упадет до нуля; затем ток потечет в обратную сторону — конденсатор опять станет разряжаться.

Такой процесс попеременного заряда и разряда станет повторяться вновь и вновь — в цепи, состоящей из конденсатора и подключенной к нему катушки, будут происходить электрические колебания. Отсюда и название «колебательный контур». Если бы провод катушки не обладал сопротивлением, т. е. пропускал бы электрический ток без малейших потерь, то колебательный процесс в контуре продолжался бы вечно, и электрическая энергия все время переходила бы из конденсатора в катушку, из катушки снова в конденсатор и т. д.

Однако в любом проводе неизбежно расходуется электрическая энергия. Электронам, движущимся по проводу, приходится «пробиваться» сквозь гущу атомов и молекул металла. Часть электронов сталкивается с ними, резко тормозится и теряет свою энергию, которая превращается в тепло, нагревая провод (вспомните раскаленную спираль электрической плитки!).

А раз в проводе катушки имеются потери энергии, то электрические колебания мало-помалу затухают, и колебательный процесс в контуре прекращается.

Колебательный контур, как и обычный маятник, имеет собственную частоту колебаний. Чем больше индуктивность катушки и емкость конденсатора, тем ниже собственная частота колебательного контура. Регулировкой емкости или индуктивности контур передатчика либо приемника настраивают на нужную частоту электрических колебаний.

ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА

Электронная лампа — важнейшая деталь современных радиопередатчиков и приемников. Ее работа основана на очень сложных физических явлениях. Сейчас мы познакомимся с этими явлениями, но прежде вспомним об одной профессии, некогда тяжелой и изнурительной. Речь идет о кузнеце. Когда-то от кузнеца требовалась большая сила. В наши дни кузнецом может работать любой человек. Чтобы повернуть рычаг механического молота, требуется незначительное усилие. Легкое движение руки — молот приподнялся. Другое движение — рухнул вниз, сплющивая раскаленный металл. Слабое мускульное усилие человека машина превращает в удар многотонного молота. Она в тысячи раз увеличивает человеческую силу.

Нечто подобное выполняет и радиолампа. С ее помощью слабые электрические колебания усиливаются во много раз. Такую лампу и называют усилительной.

Каким же образом действует радиолампа?

В конце прошлого века ученые, занимавшиеся усовершенствованием осветительной лампочки, во время одного из опытов обнаружили интересное явление. Они помещали внутрь лампового баллона металлическую пластинку и включали между этой пластинкой и нитью лампы электрическую батарею так, чтобы пластинка соединялась с положительным полюсом. Как только лампочка загоралась, в этой цепи появлялся ток, отклонявший стрелку чувствительного электроизмерительного прибора — гальванометра. Если же лампочка погашалась или пластинка присоединялась к отрицательному полюсу батареи, тока не было. Схема этого опыта показана на рис. 7.

Рис. 7. Схема простейшей электронной лампы.

Самое удивительное заключалось в том, что в первом случае ток протекал по разомкнутой цепи. Он как бы перепрыгивал пространство между пластинкой и раскаленной нитью.

Долгое время это явление оставалось загадкой, но затем ему было дано объяснение.

При нагреве ламповой нити электроны, «блуждающие» между ее атомами, движутся все быстрее и быстрее. При высоких температурах они даже начинают «выпрыгивать» наружу. Когда нить раскалена, вокруг нее образуется облачко электронов.

Поскольку разноименные электрические заряды притягиваются друг к другу, электроны устремляются к металлической пластинке, лишь когда она заряжена положительно. Поэтому между нитью и пластинкой начинает течь электрический ток.

Когда же пластинка заряжена отрицательно, она, наоборот, отталкивает от себя электроны, и в этом случае никакого тока не возникает. Ток отсутствует и тогда, когда лампа не горит, потому что холодная нить не испускает электронов.

Металлическую пластинку (положительный электрод) назвали анодом лампы, а ламповую нить (отрицательный электрод) — катодом.

Простейшая радиолампа, в которой имеется всего лишь два электрода — катод и анод, — получила название диода[1]. Ее схематическое изображение дано на рис. 8.

Рис. 8. Схематическое изображение двухэлектродной лампы.

Двухэлектродная лампа еще не способна усиливать электрические колебания, однако с ее помощью можно преобразовывать переменный ток в постоянный, т. е. текущий в одном направлении, или, как говорят, выпрямлять переменный ток.

Действительно, если диод подключить к осветительной сети, то ток через него будет течь только в одну сторону короткими толчками — импульсами — в те моменты, когда на анод поступает положительный заряд. Когда же анод заряжается отрицательно, лампа вообще не пропускает тока; она, как говорят, «заперта» (рис. 9).

Рис. 9. Выпрямление переменного тока диодом.

Таким образом, диод работает подобно вентилю велосипедной или автомобильной камеры, пропускающему воздух лишь в одну сторону. Поэтому выпрямительную лампу иногда называют вентилем.

Для того чтобы радиолампа могла усиливать электрические колебания, между ее анодом и катодом нужно поместить еще один электрод, сделанный в виде металлической решетки или проволочной спирали, — так называемую сетку.

Устройство простейшей трехэлектродной лампы (триода) показано на рис. 10, а, а изображение триода на радиосхемах — на рис. 10, б.

Рис. 10. Устройство и схематическое изображение триода.

Сетку иногда называют управляющим электродом: она управляет потоком электронов, несущихся сквозь нее к аноду.

Если управляющая сетка заряжена положительно, она ускоряет движение электронов, помогает им оторваться от катода и достичь анода лампы. Если же на сетке имеется отрицательный заряд, то этот заряд отталкивает электроны, мешает им «пробиться» к аноду.

Сетка расположена очень близко от катода, во много раз ближе, чем анод. Поэтому она влияет на движение электронов гораздо сильнее анода. Если отрицательный заряд на сетке достаточно велик, то лампа «запирается» и перестает пропускать ток даже в том случае, когда анод заряжен положительно.

Ничтожные изменения заряда на сетке приводят к резким изменениям силы анодного тока (так называют поток электронов, проходящий через анод лампы).

Если величина заряда на сетке колеблется, то сила анодного тока меняется с той же частотой. При этом сравнительно слабые колебания сеточного заряда вызывают значительно более мощные колебания анодного тока. Следовательно, в лампе происходит процесс усиления электрических колебаний.

На рис. 11 схематически изображен ламповый радиоусилитель.

Рис. 11. Схема лампового радиоусилителя.

На «вход» усилителя, между катодом и сеткой лампы, поступают слабые электрические колебания (например, от антенны радиоприемника). К «выходу», между анодом и гальванической батареей, подключена так называемая нагрузка — колебательный контур.

Когда колебания на входе усилителя отсутствуют, электрический заряд, создаваемый на сетке лампы специальным источником электричества (этот источник для простоты на рисунке не показан), не изменяется по величине. Поэтому остается постоянной и сила анодного тока.

Когда же на сетку лампы поступают электрические колебания, величина заряда начинает периодически изменяться. Это вызывает пульсацию анодного тока, проходящего через нагрузку. Толчки тока «раскачивают» колебательный контур, и в нем возникают электрические колебания, размах которых особенно велик в случае резонанса, т. е. тогда, когда контур настроен на частоту колебаний.