книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

ками конденсатора и выпрямляется до прямого провода сравнимого с длиной волны λ).

Эту незамкнутую цепь в виде прямолинейного провода длиной сравнимой с длиной волны λназывают электрическим вибратором или простейшим излучателем электромагнитных волн (он же являет- ся и приёмником электромагнитных волн).

Известно,что колебания легче создавать электричеством,чем маг- нитом.

Первый излучатель электромагнитных волн воплощён в вибраторе Генриха Герца (рисунок ниже), фактически это искровой разрядник или разомкнутый проводник с большим (7,5 мм) искровым проме- жутком,разомкнутые части которого заряжались разноимёнными за- рядами до высокого напряжения пробоя воздушного промежутка.

Проскакивающая в разрыве элек- трическая искра (миниатюрная молния) соединяла два полюса высокого напряжения, что при- водило к перетеканию зарядов от плюса к минусу и возникнове-

нию импульса тока, а вместе с ним и меняющегося магнитного поля, то есть к образованию электромагнитной волны. Повторяя процесс многократно, получали серию таких волн.

Вданной схеме возбуждение электрических колебаний в излуча- теле осуществляется с помощью искрового разряда (излучатель сле- ва), а в приёмнике — с помощью электромагнитных волн (приёмник справа).

Электромагнитные волны (или радиоволны) фиксируются одно- витковым разомкнутым проводником с малым искровым промежут- ком (доли миллиметра) подобным искровому разряднику и назван-

ным Г. Герцем резонатором.

Впроводнике резонатора, настроенного в резонанс на часто- ту излучателя, электромагнитные колебания наводят переменный электрический ток, который проявляется в виде проскакивающих

вискровом промежутке искорок. По ним можно судить о свойствах электромагнитных волн, правда наблюдать их можно только в темно- те и под большим увеличением. Это приспособление стало основой радио и его устройств.

Отметим, что в системе протон — электрон (атом водорода) пере- ход электрона с высокоэнергетического уровня на нижерасположен- ный энергетический уровень сопровождается испусканием кванта (порции) электромагнитного излучения (постулаты Бора). Поглоще- ние атомом кванта электромагнитного излучения сопровождается

210

переходом электрона с нижнего энергетического уровня на выше- расположенный энергетический уровень. Нечто подобное воспроиз- вёл в своих опытах Г. Герц (1888 г.), что позволило отождествить свет, световые волны с разновидностью электромагнитных волн имеющих частоты порядка 10 15 герц и описывать радиоволны световыми ана- логиями.

Вертикальное расположение электрического излучателя (вибра- тора) продиктовано обеспечением максимальной дальности распро- странения электромагнитных волн, а заземление его нижнего кон- ца — удлинением его почти вдвое.

При электрических колебаниях заряды периодически скаплива- ются на концах вибратора, оставляя плотность зарядов в его средней точке равной нулю. Заряды, перетекая из одной половины вибрато- ра в другую, образуют ток, который по величине наибольший в сере- диневибратораиравныйнулюнаконцах.Распределениетокаввибра- торе подобно распределению колебаний амплитуды у колеблющейся струны. Распределение зарядов на вибраторе также подобно распре- делению амплитуды колебаний в столбе воздуха, находящегося в тру- бе открытой с обоих концов.

Фактически, колебания тока и зарядов образуют стоячую волну.

В центре вибратора находится узел колебаний заряда и пучностьтока,

ана концах —узлытока и пучности заряда.Поэтому,длина вибратора равна половине длины волны (L = λ/2).

Длина электромагнитной волны определяется частотой её колеба- ний λ= C/f,где C —скоростьраспространения электромагнитных волн (она постоянна и одинакова для всех видов электромагнитных волн). Собственная частота вибратора, в котором емкость и индуктивность LC —контура распределены по всей егодлине,равна f = C/2 L. Это наи- более низкая или основная собственная частота. Обертоны укладыва- ются на его длине в целое число полуволн.

Ток в вибраторе течёт в одну сторону, и нет противофазных ко- лебаний тока, при этом колебания зарядов противофазные (так как они разноимённые), а пучности зарядов на концах вибратора разве- дены на расстояние полуволны,поэтому вибратор как открытая цепь, названная антенной, вокруг которого распределены электрическое и магнитное поля, эффективно излучает электромагнитные волны. Излучаемая антенной энергия пропорциональна мощности электри- ческих колебаний в ней или квадрату амплитуды этих колебаний.

Антенна (с лат. «мачта») это резонатор (как дека для струны), ко- торый легко настроить в резонанс на частоту генерирующего устрой- ства, чтобы увеличить в ней амплитуду колебаний. Для недлинных волн достаточно длину вибратора взять равной половине длины вол- ны соответствующей частоте генератора. Для длинных волн вибратор

211

заземляется (что увеличивает его вдвое) и соединяется с колебатель- ным контуром генератора индуктивно посредством включения в него дополнительной катушки самоиндукции L1 (соленоида), «удлиняю- щей» линейный размер антенны (рисунок слева).

Катушка самоиндукции L1 довольно ча- сто применяется для связи антенны с ко- лебательным контуром генератора (схема слева).

Придавая антенне различную форму, получают направленное излучение элек- тромагнитных волн. Вертикальная антен- на излучает горизонтально во все стороны одинаково.

Антенна из двух вертикальных вибрато- ров, колебания в которых действуют в оди- наковой фазе, а расстояние между ними равно полуволне, благодаря явлению ин-

терференции излучает максимум энергии в направлениях перпен- дикулярных к плоскости, образованной вибраторами, и практически не излучает в направлениях её плоскости.

Всякий радиопередатчик имеет генератор незатухающих колеба- ний (задающий генератор) и связанную с ним антенну — открытую излучающую цепь (схема выше).

Диапазон частот или длин электромагнитных волн чрезвычайно широк от низких частот, длины которых измеряются в километрах, до высоких частот, длины которых измеряются в долях миллимикро- на (ангстремах).

Для частоты f = 0 или для не меняющегося во времени тока вибра- тора формально должна бы соответствовать бесконечно большая дли- на волны, но с уменьшением частоты условия излучения ухудшаются, поэтому при постоянном токе излучение «бесконечно большой» вол- ны не происходит.Коротковолновыйдиапазон получаютпосредством электрических колебаний и посредством теплового или инфракрас- ного излучения (тепловым способом,то естьпри излучении нагретого тела).Далееследуетвидимыйсвет,ультрафиолетовоеирентгеновское излучение, гамма-лучи и т. д.

Имея достаточно чувствительный приёмник (резонатор) электро- магнитных волн, можно исследовать свойства электромагнитных волн. Например, использовать второй такой же полуволновый вибра- тор или одновитковый проводник, в котором искровой промежуток замещён кристаллическим детектором с параллельно подключённым гальванометром. Излучатель и приёмник располагают параллельно друг другу (например, оба вертикально).

212

Используя металлический экран размерами превышающими дли- ну волны, можно наблюдать отражение электромагнитных волн (угол падения равен углу отражения) и образование тени. Экраны, выпол- ненные из изолирующих материалов, прозрачны для электромагнит- ных волн, и можно наблюдать их преломление (изменение направле- ния распространения при переходе из одного прозрачного материала в другой, например, в призме из парафина).

Согнутый в виде параболы металлический экран с зеркальной по- верхностью (рефлектор) и помещённым в его фокусе излучателем создаёт направленное излучение большой интенсивности в виде пло- ской волны. Такой же рефлектор используется и для приёма электро- магнитных волн. Если рефлектор с излучателем установлен против плоского металлического экрана, то падающая и отражённая волны образуют стоячую волну с пучностями и узлами электрического поля (что фиксирует приёмный вибратор).

Если приёмный вибратор из вертикального положения установить в любое горизонтальное положение, то ток в нём падает до нуля. Это указывает на то, что электрическое поле приходящей волны име- ет вертикальное положение, благодаря чему оно может перемещать заряды (наводить ток) вдоль вертикального приёмного вибратора,

ине способно этого делать, когда он горизонтален. В первом случае переменное электрическое поле пронизывает приёмный вибратор, во втором — нет. Следовательно, магнитное поле приходящей волны направлено горизонтально и перпендикулярно к направлению рас- пространения излучения.

Из этого устанавливается, что напряжённости электрического E

имагнитного H полей в электромагнитной волне перпендикулярны другдругу и к направлению распространения волны, а это характери- зует колебания всякой электромагнитной волны как поперечные.

Свойство взаимной перпендикулярности напряжённостей E и H ис- пользуется в радиопеленгации. С помощью рамочной антенны, имею- щей возможность поворачиваться вокруг вертикальной оси, определя- етсянаправление,указывающеенапеленгуемуюпередающуюстанцию. Если направление на радиостанцию определено из двух точек, то это позволяет определить её местонахождение. На основе пеленгации ра- ботают радиомаяк и радиокомпас (используемый в автопилоте).

Для нужд радиосвязи и радиовещания используютчувствительные радиоприёмники различных схем, снабжённые приёмной антенной.

По сути, приёмник противоположность передатчику, он содер- жит колебательный контур, но не излучает электромагнитные волны,

апринимает их как сигнал.

Из истории создания радиоприёмника известно, что в искровой промежуток резонатора Герца А. С. Попов (1889 г) поместил специ-

213

альное устройство, изобретённое Э. Бранли (1890 г), названное ко- герером (с лат. «сцепляться» — это стеклянная трубка с мелкими порошкообразными железными опилками и платиновыми электро- дами), чувствительное к электромагнитным волнам. Электромаг- нитная волна создаёт в цепи когерера переменный ток высокой частоты, который скрепляет опилки между собой, в результате чего электрическое сопротивление когерера резко падает и он переста- ёт реагировать на электромагнитную волну. Встряхнув когерер, он вновь становится способен воспринимать электромагнитные волны. Пока сопротивление когерера велико электромагнитной волны нет, как только сопротивление падает — значит, электромагнитная волна пришла.

Для автоматического встряхивания когерера А. С. Попов использо- вал электрический звонок, который включался в цепь когерера и при появлении волны восстанавливал его чувствительность ударами мо- лоточка по нему (чем была реализована релейная схема). Принцип реле (с франц. «заменять» — это способ осуществления и устройство для коммутации электрической цепи по сигналу извне) сохраняется и поныне, ведь электронные устройства заменившие когерер работа- ют как реле.

Важный шаг в упрощении радиоприёма совершенно случайно был сделан его ближайшим помощником П. Н. Рыбкиным. Он включил в цепь когерера вместо телеграфного аппарата обыкновенный теле- фон (чтобы проверить его работу). Оказалось, что теперь когерер (ре- зистор или сопротивление) не требовал постоянных встряхиваний, чтобы становиться чувствительным, он был всегда готов к приёму электромагнитных волн. Когерер в цепи с телефоном действовал со- вершенно иначе.В современном понимании он работал как детектор, то есть пропускал ток лучше только в одном направлении, чем в об- ратном (очевидно, из-за плохого контакта между частицами железа). Антенные токи, выпрямленные таким детектором, были очень слабы, чтобы привести в действие телеграфный аппарат. Однако они оказа- лись способными действовать на мембрану телефона и вызывать сла- бые звуковые волны, которые сравнительно легко могли восприни- маться на слух.Устройство приёмника с переходом нателефон сильно упростилось и депеши (телеграммы) при известном навыке (и знании азбуки Морзе) могли теперь читаться на слух.

Это несомненное техническое преимущество стало основой устройств радиосвязи для передачи различных сигналов, звука и те- левизионного изображения.

Осуществление радиосвязи потребовало преобразования незату- хающей синусоидальной электромагнитной волны. Процесс преоб- разования, на котором построен принцип радиосвязи, назван моду-

214

ляцией электромагнитных колебаний. Простейший способ состоит из простого прерывания постоянного излучения на короткие и длин- ные сигналы (или на точки и тире азбуки Морзе) посредством специ- ального ключа (т. н.телеграфная модуляция).

Телефонная же (или амплитудная) модуляция осуществляет плав- ное на звуковых частотах изменение амплитуды электромагнитных колебаний с помощью модулирующего сигнала. Существуют также частотная и фазовая модуляции (и множество других всевозможных видов модуляций и кодирования сигнала). На рисунке ниже показа- ны сигналы электромагнитного излучения с амплитудной, частотной

ифазовой модуляцией.

Впростейшем микрофонном передатчике (ныне он может быть подслушивающим «жучком») на сетку лампы попадает переменное напряжение звуковой частоты (схемы ниже).

Амплитуда высокочастотных колебаний, генерируемых в колеба- тельном контурелампы,меняется вместе с низкочастотным напряже- нием на её сетке и приводит к изменению интенсивности радиоволн излучаемых антенной. Изменяющиеся по амплитуде высокочастот- ные электромагнитные колебания несут на себе частоту звуковых ко- лебаний заданных микрофоном (модулирующим сигналом), то есть электромагнитные волны несут определённый информационный сигнал для передачи приёмнику.

Простейший детекторный приёмник содержит настраиваемый ко- лебательный контур,детектор (восстановительнизкочастотных моду- лирующихсигналовизвысокочастотныхмодулированныхколебаний) и подключённый к нему последовательно телефон (схемы на стр 216).

Детектор с телефоном, подключённый к резонансному контуру приёмника, работает уже не по принципу реле, как это было у коге- рентного приёмника А. С. Попова, а иначе.

215

Реально в антенне радиоприёмника оказываются модулирован- ные излучения множества одновременно работающих передатчиков. А также разного рода помех от атмосферных разрядов и промышлен- ных источников.

Выделение нужных колебаний из смеси электрических модули- рованных колебаний осуществляют с помощью резонанса, меняя на- стройку колебательного контура приёмника, для чего используется переменныйконденсатор(показанвсхемахвыше).Резонанссколеба- ниями нужного передатчика обеспечивает узкую полосу, пропускаю- щуютолькоегочастоту.Спомощьюизменениянастройкиколебатель- ного контура, осуществляется движение по шкале частот, на которых работают радиостанции. Если выделенные колебания оказались сла- бы, их усиливают с помощью электронных приборов (например, по- лупроводникового триода на схеме справа) и очищают от помех.

Амплитуда модулированного высокочастотного напряжения 1 (графики ниже), подводимого к детектору, меняется с низкой часто- той (частотой кодированной информации).Детектор подрезает высо- кочастотные колебания 2 с одной стороны и пропускает их на теле- фон. Ток низкой (звуковой) частоты 3, который соответствует частоте

модулирующего информаци- онного сигнала, заставляет ко- лебаться мембрану телефона. Телефону для работы требуется только низкочастотная часть детекторного тока, для чего его шунтируют конденсатором, чтобы высокочастотная часть свободно прошла мимо него.

Звук в телефоне восприни- мается нами как голос, музыка, шум ветра, города или цехов завода.

216

Передача изображений неподвижного и движущего предметов тре- бует более сложных электрических преобразований информационного модулирующего сигнала с применением устройств фотоэлементов.

Современное телевидение основано на принципе последователь- ной передачи элементов изображения с помощью радиосигнала (или с помощью кабеля).

Разложение изображения на элементы осуществляют при помощи электроннолучевой трубки или полупроводниковой светочувствитель- ной матрицы. Количество элементов (пикселей) изображения выбира- ется в соответствии с полосой пропускания радиоканала и физиологи- ческими критериями восприятия изображения человеком (например, 625 строк за 1/25 сек или 25 кадров с 625 строками за 1 сек). Электри- ческие колебания, полученные после преобразования в электричество света отражённого предметом, поступают в ТВ-передатчик, где их мо- дулируют (подобнотоку микрофона) в излучаемую радиоволну.

В телевизоре после детектирования принятой волны получают точно такие же электрические колебания, какими модулировались радиоволны в ТВ-передатчике.

С помощью таких электрических колебаний (синхроимпульсов, содержащихся в видеосигнале) на экране кинескопа, либо жидко- кристаллического дисплея или плазменной панели телевизора вос- производится весь передаваемый кадр изображения, что имелся в ТВ-передатчике. Череда отдельных передаваемых изображений, вследствие зрительной инерции глаза (длительность зрительного ощущенияпримерно1/7сек),подобноиллюзиикиновоспринимаются зрением человека как слитноедвижущееся изображение.Для сужения полосы передаваемых частот и уменьшения вредного мерцания экра- нателевизора применяютчересстрочную развёртку изображения,что позволяет увеличить одновременно и плавность передачи движения.

Качества электромагнитных волн (в частности,частота, вид и фор- ма колебаний, скорость распространения) дают технические преиму- щества, чего нет у постоянного сигнала.

Именно они позволили создать телевидение,телеуправление, авто- матику (автоматическое управление летательными аппаратами, авто- матическое регулирование работы машин и механизмов), радионави- гацию (спутниковую навигацию —GPS,ГЛОНАСС) и радиогеодезию.

Радиофизика изучает ионосферу Земли и разнообразные явления, связанные с электромагнитными волнами. Радиоастрономия (в от- личие от обычной оптической астрономии) изучает радиоизлучение, приходящееотвнеземныхисточников.Бесконечноотдалённыенебес- ныетела (звёзды,туманности,галактики),отдельные атомы и молеку- лы излучают электромагнитные волны разнообразной длины, по ко- торым могут делаться выводы об устройстве Вселенной.

217

Свет, действие света, оптика, оптические приборы

Очень узкий диапазон электромагнитных волн воспринимается зрением человека, как свет, чувствительность к которому у нашего зрительного органа очень велика (самый чувствительный аппарат). Сетчатка глаза при благоприятных условиях испытывает ощутимое световое раздражение уже от энергии света мощностью 10–17 вт. Свет, действуя на структуру сетчатки глаза,запускает в ней ряд химических процессов,вызывающихраздражениезрительногонервасоединённо- го с центрами головного мозга, которые формируют у человека образ светового действия (изображение). Зрение позволяет воспринимать излучаемые и отражённые электромагнитные волны, то есть видеть. Рецепторы оптического зрения дают возможность видеть внешнее совершенство, гармонию, красоту предметов, множество физических явлений и эффектов.

Химические превращения наблюдаются при поглощении света веществом (выцветание красок). Чаще поглощение света обнаружи- вается по нагреванию тел. Концентрируя солнечные лучи с помощью большого параболического зеркала на поверхности теплоприемника, можно обеспечить нагревание циркулирующего там теплоносителя до высокой температуры (что позволяет опреснять солёную воду, по- лучать пар для турбины, обогревать жильё).

Освещение металлической поверхности заряженной отрицательно приводит к потере заряда (поверхность, заряженная положительно, сохраняет заряд) — явление фотоэлектрического эффекта (обнару- жено А. Г. Столетовым).

Рентгеновское излучение разряжает металлические пластины, за- ряженные как отрицательно,так и положительно,что связано с иони- зацией окружающего воздуха и образованием зарядов обоих знаков (используется для обнаружения и регистрации рентгеновского излу- чения).

Солнечные батареи способны превращать свыше 15 % падающей энергии света непосредственно в энергию электрического тока. По- верхности,отражающие или поглощающие свет,испытывают его дав- ление (механическоедействие) —опытП. Н. Лебедева (1900 г.).Лазеры создают (концентрируют) на очень малой площади поверхности све- товое давление свыше 10 6 кГ/см 2.

Вся энергия, используемая на Земле, имеет своим первоисточни- ком световую энергию нашей звезды по имени Солнце. Все виды то- плив(этоконсервысолнечнойэнергии)накапливалисьподдействием солнечных лучей с помощью флоры и фауны Земли. Энергия водяных и ветряных двигателей доступна благодаря солнечной энергии.

218

Светсчитается особым видом материи (её полевой формой) отлич- ным от обычных материальных её видов (электронов, атомов, моле- кул, вещества).

Свет, распространяясь с конечной скоростью, обладает массой, пе- реносит энергию (E = m . С 2) и количество движения (p = m . C).

Появление массы у света связано с его распространением,что при- водиткпритягиваниюсветакмассивнымнебеснымтелам(например, к Солнцу). «Чёрные дыры» с чудовищной гравитацией удерживают всё, в том числе и свет.

Масса у кванта (элементарной порции) света (фотона) величина конечная.Но у него нет массы покоя (или массы без движения,в оста- новке), она равна нулю, что означает исчезновение всех его качеств (массы, энергии, количества движения). Всё, что имел фотон в дви- жении, при остановке (при поглощении) переходит к поглощаемому веществу и идёт на увеличение его внутренней энергии.Атомы пере- ходят в возбуждённое состояние, позволяющее им испускать кванты света или вступать в химическую реакцию. Передача импульса (коли- чества движения) проявляется в образовании давления света на телах (молекулы газа приходятвдвижение,увеличивая частоту ударов о по- верхность тела). Из фотона большой массы (то есть, с частотой в мил- лион раз больше частоты кванта видимого света) возникают электрон

ипозитрон (прямая противоположность электрона), заимствующие массу и энергию от исчезнувшего фотона. Протон и электрон, соеди- няясь, перестают существовать, их масса и энергия переходят в массу

иэнергию пары разлетающихся со скоростью света фотонов.

Отличием света, как материи, от обычных вещественных её форм (электрона, позитрона, атомов, молекул) является отсутствие у него массы покоя. В покое свет не существует (это тьма). Свет имеет дуаль- нуюприроду.Соднойсторонымедалипроявляютсяволновыесвойства света (интерференция, дифракция, поляризация), с другой — кванто- вые свойства света (фотоэффект). Энергия света частоты f не делится на произвольные части, а имеет одинаковые и строго определённые порции энергии, названные световыми квантами (введено А. Эйн- штейном 1905 г.) или фотонами.Полная энергия,сообщаемая электро- ну светом частотой f, равна h . f, где h — универсальная постоянная ве- личина (названная постоянной Планка). Значение h = 6,6 . 10–27 эрг . сек чрезвычайно мало, поэтому в оптических явлениях квантовый харак- тер света не обнаруживается. Энергия оптических явлений состоит из большого целого числа квантов света,то есть, энергия, приносимая светом,определяется целым числом световых квантов.

Для каждого металла существует предельная длина волны способ- ная вызвать фотоэлектрический эффект. Чем она меньше (больше частота), тем большее количество электронов может покинуть металл,

219