Поделиться ссылкой
Список тегов
Популярное
Наши друзья
RadioStorage.net - электронные схемы, статьи и программы радиолюбителю, самоделки своими руками

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Бросьте на гладкую водяную поверхность камень, и на ней появятся волны, кругами расходящиеся во все стороны. Это — водяные волны, они создаются в воде и в ней же распространяются.

Звуковые волны в открытом пространстве создаются в воздухе и в нем же распространяются: удалите воздух, и звуки исчезнут. Из чего же созданы и в чем распространяются радиоволны?

В некоторых книгах дается такое пояснение по интересующему нас вопросу:

Радиоволны — это «распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля».

Попробуем воспользоваться этой формулировкой в качестве исходной в наших объяснениях природы радиоволн. Позвольте напомнить Вам из школьных уроков по физике, что вокруг всякого проводника с электрическим током существует магнитное поле, а вокруг тела с электрическим зарядом — электрическое поле. Даже, если Вы забыли это, то, вероятно, замечали, что гребенка или расческа, которой Вы только что привели в порядок Ваши волосы, стремится притянуть к себе легкие предметы вроде кусочков папиросной бумаги, шерстинок и пр. Эта же самая гребенка до использования ее по прямому назначению не обладала свойствами притягивать посторонние предметы.

Объяснение простое: от трения о волосы гребенка приобрела электрический заряд, отчего вокруг гребенки возникло электрическое поле. Оно-то и действует на легкие предметы, притягивая их.

Полем вообще называют форму материи, в которой обнаруживается действие каких-либо сил. Например, в поле земного тяготения обнаруживается притяжение к земле.

Форма материи, в пределах которой сказывается действие электрических сил, называется электрическим полем. Сильнее заряд — и поле сильнее. Нет заряда — нет поля.

У нас в руке медный провод, по которому течет ток, а на столе — обычный компас. Стрелка компаса ориентирует Вас в пространстве, указывая север.

Поднесите к компасу этот провод, расположите его вдоль стрелки, и стрелка отклонится в сторону (рис. 1). Увеличьте ток — стрелка отклонится еще больше. Уменьшите ток— отклонение стрелки уменьшится. Выключите ток — стрелка опять укажет север. Значит, не сам провод влияет на стрелку компаса, а ток, протекающий по нему.

Объяснение простое: ток создает вокруг провода магнитное поле, и это поле действует на стрелку компаса.

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Рис. 1. Ток, идущий по проводу, отклоняет стрелку компаса.

Форма материи вокруг магнита или проводника с током, где обнаруживается действие магнитных сил, называется магнитным полем. Сильнее ток — сильнее магнитное поле. Нет тока — нет поля.

Если электрический ток периодически через равные промежутки времени меняет не только свою величину, но й направление, то такой ток называется переменным. Переменный ток создает и переменное магнитное поле.

То же самое можно сказать и о переменном электрическом поле. Если вызвавший его заряд периодически меняет не только свою величину, но и полярность, ток такое поле называется переменным электрическим полем.

Переменные электрическое и магнитное ПОЛЯ неотделимы друг от друга. Если возникло переменное электрическое поле, то оно всегда создает вокруг себя переменное магнитное поле и, наоборот, переменное магнитное поле обязательно создаст переменное электрическое поле.

Электромагнитные волны, т. е. взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля, распространяются в воздухе или в безвоздушном пространстве, а также во многих других веществах со скоростью света, равной 300 000 км/сек.

Электрическая искра. Достаточно где-либо проскочить электрической искре, как сейчас же вокруг нее возникнут радиоволны. Вы случайно замкнули провода — короткая вспышка, и в пространство выброшен поток радиоволн. Искрят щетки электродвигателя, работает электросварочный агрегат, искрит дуга трамвая или ролик троллейбуса, работает автомобильный мотор с системой электрического зажигания — безразлично: все это наводняет пространство радиоволнами.

Именно из-за этих волн от искровых разрядов, будь то разряды атмосферного электричества или же искрение электроустановок, происходят все те трески, которые Вы, вероятно, не один раз проклинали, слушая интересную радиопередачу.

Только удалившись с радиоприемником куда-либо далеко за город, где нет помех радиоприемнику от трамваев, электрических лифтов, электромедицинских кабинетов и подобных им устройств, можно вести прием в относительной «электрической тишине».

Вот почему приемные радиоцентры выносятся из городов в уединенные места.

Но и здесь не всегда можно укрыться от помех. Гигантский искровой разряд, каким является молния, создает настолько сильный ураган радиоволн, что в грозу из громкоговорителя вырывается оглушительная «артиллерийская канонада».

Радиоволны от молний сигнализируют о приближении грозы. Первым человеком, сумевшим принимать радиосигналы молнии, был русский ученый, изобретатель радио Александр Степанович Попов. Один из своих приборов, названный им «грозоотметчиком», он использовал для того, чтобы следить за далекими грозами и предсказывать их приближение.

Люди взяли у природы ее рецепт «изготовления» радиоволн.

Все первые радиопередатчики создавали мощные потоки сильно трещащих искр. Радиоволны, порождаемые искрами, переносили в пространство различные сообщения без всяких соединительных проводов. Эти первые радиостанции так и назывались — «станции искрового телеграфа». Известно, что радиотелеграфисты мощной московской искровой радиостанции (на Ходынке), идя на дежурство, еще километра за полтора-два до здания на слух, по треску искр — этих маленьких молний, могли читать сообщения, передаваемые знаками телеграфной азбуки.

Название «радиостанция» появилось значительно позже. Современная радиотехника почти полностью отказалась от весьма несовершенных искровых станций. Но пучок искр до сих пор остается в эмблеме на погонах связистов.

Как создаются радиоволны. Нам предстоит ознакомиться с тем, как создаются радиоволны современными радиопередающими станциями.

Краткое определение сущности создания радиоволны таково:  Проводник с переменным током высокой частоты при некоторых условиях способен излучать в окружающее пространство радиоволны.

Это определение станет понятным, когда будет раскрыт внутренний смысл каждого слова. «Проводник»— но какой, всякий ли? Дальше мы увидим, что нет, далеко не всякий. «Переменный ток высокой частоты» — как это понимать? Что значит «при некоторых условиях?» При каких именно? «Излучать— как?

Начнем с выяснения, что такое переменный ток.

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Рис. 2. Затухающие колебания маятника.

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Рис. 3. Незатухающие колебания маятника.

Знакомясь с электромагнитным полем, мы получили краткую справку о том, что переменным называется ток, периодически меняющий не только свою величину, но и направление. Следует еще раз подчеркнуть что слово «переменный» относится именно к направлению. Как бы ни менял свою величину электрический ток, его нельзя назвать переменным, если он не меняет направления.

Переменный ток течет попеременно то в одну сторону, то в обратную, как бы повторяя колебательные движения качелей или часового маятника. Недаром существует технический термин «электрические колебания».

Чему учит маятник. К концу маятника часов я прикрепляю легкое перышко или волосок, смоченный жидкой краской, затем толкаю маятник и подношу к перышку листок бумаги. Перышко начинает вычерчивать на листке прямую линию — след колебаний маятника; чем больше размахи маятника, тем больше ее длина.

Теперь я начинаю равномерно передвигать листок бумаги в направлении, перпендикулярном плоскости колебаний маятника. Прочерчиваемая линия растянется, развернется в волнообразный график (рис. 2). Колебания маятника зарегистрированы — получился график колебаний или, как его называют, осциллограмма.

Осциллограмма свидетельствует о том, что размахи маятника быстро уменьшались, и вскоре маятник остановился. Трение в точке подвеса маятника и в точке касания перышка с бумагой, а также сопротивление воздуха сделали свое дело. Колебания быстро затухли. Перед нами график затухающих колебаний.

Иную картину представляет график, показанный на рис. 3. Сила тяжести гирь преодолевала действие на маятник всех тормозящих усилий. Поэтому маятник отщелкивал удар за ударом, не уменьшая размахов. Можно было бы целый день вытягивать из-под такого маятника бумажную ленту, и все время вычерчивалась бы на ней волнообразная кривая незатухающих колебаний.

У всякой профессии свой язык. Электрик или радист не скажет «размах» там, где речь идет о колебаниях: не размах, а амплитуда. Уважая профессиональные привычки, мы должны сказать так: у затухающих колебаний амплитуды убывают, у незатухающих — остаются неизменными.

Колебательный контур. Не только маятник или качели, но и электрический ток можно заставить совершать затухающие или незатухающие колебания.

Для этого служит очень простое электрическое устройство — колебательный контур. Это своего рода «электрический маятник». Но в отличие от колебаний обычного маятника электрические колебания в контуре совершаются невероятно быстро. На каждое колебание затрачивается ничтожно малая доля секунды, поэтому число колебаний в секунду очень велико.

Колебательный контур состоит всего из двух основных частей: катушки индуктивности и конденсатора. Катушка представляет собой некоторое число витков медной проволоки, а конденсатор (самый простои) — две металлические пластинки, разделенные слоем диэлектрика.

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Рис. 4. Чем больше площадь пластин конденсатора и чем ближе одна к другой, тем больше емкость.

Чем больше площадь пластин и чем ближе они расположены одна к другой, тем при прочих равных условиях большей электрической емкостью обладает конденсатор (рис. 4). На величину емкости влияет и вещество диэлектрика. Конденсатор с бумагой в качестве диэлектрика «впитает» в себя в 2 раза больше электричества, чем такой же конденсатор, но с воздухом вместо бумаги. Слюдяной конденсатор «сгустил» бы в себе («конденсатор» по-русски означает «сгуститель») в 6 раз больший заряд, чем такой же воздушный конденсатор.

Если присоединить концы катушки к пластинам конденсатора, получится колебательный контур (рис. 5). Но такой «мертвый» контур ничем не интересен. Чтобы в контуре возникли электрические колебания, его нужно «оживить».

Маятник мы отводим вбок или даем ему толчок, и он начинает мерно раскачиваться из стороны в сторону. Колебательный контур тоже можно «подтолкнуть». К нему необходимо подвести некоторое количество электрической энергии, чтобы электроны пришли в колебательное движение. Для этого конденсатор следует зарядить от какого-либо источника тока (рис. 6,а), а затем подключить к нему катушку индуктивности. Электрическое напряжение U на пластинах конденсатора и сообщит электронам тот электрический «толчок», который необходим для возбуждения колебаний в контуре. Конденсатор станет разряжаться через катушку, и в цепи потечет ток (рис. 6,6).

С появлением тока скажется тормозящее влияние катушки — ее индуктивность, которая зависит от числа витков, размеров и формы катушки. Индуктивность — это электрическая инерция.

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Рис. 5. Колебательный контур состоит из конденсатора С, катушки L и соединительных проводов.

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Рис. 6. Получение переменного тока в контуре.

Она противодействует всякому изменению тока, подобно тому как инерция тела препятствует изменению его скорости. Вследствие противодействия катушки электрической инерции ток будет нарастать постепенно и достигнет наибольшей величины Iмакс, как раз в тот момент, когда конденсатор полностью израсходует свой электрический заряд, т. е. разрядится.

Теперь, казалось бы, ток должен исчезнуть. На самом же деле благодаря электрической инерции он не прекратится и будет протекать в ту же сторону за счет энергии, которая сосредоточилась в катушке. Но ток станет постепенно убывать. Разряженный конденсатор будет теперь заряжаться в обратном направлении: пластина, имевшая положительный заряд, будет заряжаться отрицательно, а пластина, имевшая отрицательный заряд,— положительно.

Когда энергия полностью сосредоточится в конденсаторе, ток в контуре прекратится (рис. 6,в), но процесс на этом не остановится. Зарядившийся конденсатор опять начнет разряжаться: в контуре потечет ток, но уже в обратном направлении (рис. 6,г). Он возрастет до максимальной величины, а затем снова упадет до нуля. В этот момент завершится полный цикл изменения тока в контуре, т. е. закончится одно электрическое колебание (рис. 6,д). После этого все изменения тока станут повторяться, подобно тому как повторяются перемещения маятника. В контуре возникнут электрические колебания.

Колебания в контуре, происходящие без какого-либо влияния со стороны, чрезвычайно кратковременны. Это объясняется тем, что электрический ток нагревает провода катушки. Энергия электрических колебаний превращается в тепло, которое рассеивается. Потери

эти неизбежны, поэтому колебания в контуре быстро затухают. Амплитуда их становится все меньше и меньше, и, наконец, колебания практически прекращаются. Они длятся очень малую долю секунды.

Затухающими колебаниями пользовались в первые годы развития радиотехники. Но теперь они не применяются. Уже много лет назад были разработаны способы получения незатухающих колебаний, на применении которых и основывается современная радиотехника. Незатухающие колебания — это колебания с неослабевающей силой. Амплитуда их не меняется.

Для того чтобы получить незатухающие колебания, нужно особое устройство, которое «подбрасывает» колебательному контуру все новые и новые порции энергии. В часах роль этого устройства выполняет гиря или пружина. Как это делается в колебательном контуре, мы узнаем дальше.

Период и частота. В здании Исаакиевского собора в Ленинграде под куполом подвешен длинный маятник, служащий для доказательства вращения Земли вокруг своей оси. Длина маятника 98 м. На одно полное колебание, т. е. на движение маятника от отвеса в одну сторону, переход в противоположную сторону и возвращение к отвесу, затрачивается 20 сек. Маятник же часов-ходиков в течение секунды успеет сделать два колебания. Словом, чем длиннее маятник, тем медленнее совершает он колебания, тем больше период его колебаний.

Периодом называется время одного полного колебания.

От десятков секунд до десятых долей секунды— таковы пределы (диапазон) изменений периодов колебаний маятников.

Колебания в электрическом контуре могут совершаться тоже с разными периодами, но диапазон их гораздо более широкий. Никакой маятник не сможет в 1 сек совершить несколько тысяч колебаний, тогда как для электрического тока такие колебания считаются медленными.

Период электрических колебаний определяется тем, насколько быстро конденсатор может заряжаться и разряжаться, а катушка— управляться со своим магнитным полем.

Число колебаний в секунду называется частотой колебаний. Единица измерения частоты называется «герц». Один герц (сокращенно 1 гц) — это одно полное колебание в секунду, т. е. один период в секунду.

Частота электрических колебаний в контуре определяется величинами индуктивности катушки и емкости конденсатора. Чем больше индуктивность, тем сильнее скажется ее тормозящее действие на изменении электрического тока в контуре и тем медленнее будут совершаться колебания. Так же влияет на частоту колебаний и емкость. С увеличением емкости конденсатора возрастает время, необходимое для его заряда и разряда. Значит, период колебаний будет продолжительнее, а число колебаний в секунду меньше.

Следовательно, изменяя индуктивность и емкость контура, можно менять частоту происходящих в нем электрических колебаний, подобно тому как скрипач, перемещая пальцы по грифу скрипки и удлиняя или укорачивая струны, изменяет тон, т. е. меняет частоту звуковых колебаний.

В радиотехнике приходится иметь дело с электрическими колебаниями, частота которых достигает многих тысяч и миллионов герц. Оперировать всякий раз с такими большими числами так же неудобно, как неудобно выражать путь от Москвы до Ленинграда в миллиметрах или вес поклажи грузового автомобиля в граммах. Общепринято пользоваться более крупными кратными единицами: килогерц (кгц) — тысяча герц и мегагерц (Мгц) — миллион герц.

Излучение радиоволн становится практически возможным лишь в том случае, если частота колебаний не ниже нескольких десятков тысяч герц. Вот почему для излучения радиоволн нужен не просто переменный ток, а переменный ток высокой частоты.

При помощи колебательного контура можно получить электрические колебания практически любой частоты — от долей герца до многих сотен и тысяч мегагерц. Для этого надо только подобрать соответствующие емкости и индуктивности колебательного контура.

Открытый колебательный контур. Не следует думать, что достаточно создать в колебательном контуре высокочастотные колебания, для того чтобы он стал излучать в окружающее пространство радиоволны. Вот тут-то и приходится вспомнить «некоторые условия», о которых мы в свое время лишь упомянули.

Эффект излучения радиоволн тем ощутительнее, чем большее пространство охватывается электрическим и магнитным полями контура. Конденсатор же по размерам очень невелик и поле его, хотя и сильное, очень собрано, сжато. Оно занимает небольшой объем пространства. То же следует сказать и о магнитном поле: оно собрано, сжато вокруг витков катушки.

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Рис. 7. Раздвигая пластины конденсатора, получим открытый колебательный контур.

Такой колебательный контур, у которого емкость и индуктивность сосредоточены, вследствие чего поля ограничены небольшим объемом, называется замкнутым колебательным контуром. Применяя его в качестве излучателя радиоволн, можно ожидать не большего успеха, чем от попытки нагреть большую комнату раскаленным добела гвоздем.

Итак, чтобы усилить эффект излучения радиоволн, надо увеличить размеры электромагнитного поля.

Сразу же напрашивается решение раздвигать пластины конденсатора, и тогда в электрическое поле будут включаться все новые и новые части пространства. Но при раздвижении пластин уменьшается емкость конденсатора. Контур начнет создавать колебания иной частоты. Есть выход:одновременно с раздвижением пластин увеличивать их размеры, и тогда емкость конденсатора остается неизменной

На рис. 7 показано, как постепенное раз-движение пластин приводит к созданию открытого колебательного контура. Емкость у него образована двумя большими пластинами, удаленными одна от другой на значительное расстояние. Опыт показал, что вместо сплошной пластины лучше применять две длинные проволоки, так как они создают конденсатор вполне достаточной емкости.

Для большего охвата пространства электрическим полем одну проволоку на мачтах поднимают высоко вверх, а другую располагают у самой земли. Если по такому открытому колебательному контуру начнет протекать ток высокой частоты, излучение радиоволн обеспечено.

Когда А. С. Попов»начал применять радиоволны для целей связи без проводов, он нашел необходимым увеличить размеры открытого колебательного контура. Одну проволоку он поднял на высокой мачте вверх, а другую зарыл в землю. Земля — достаточно хороший проводник и по своему действию вполне заменяет одну из пластин конденсатора. Емкость открытого колебательного контура была образована поднятой вверх проволокой и землей, разделенными слоем воздуха. Провод, поднятый кверху, получил название «антенна». В переводе на русский язык с греческого это слово означает усики (насекомого). Это название дано было по внешнему сходству.

Честь изобретения первой в мире антенны принадлежит также А. С. Попову.

Мы уже знаем, что не могут раздельно существовать переменные магнитное и электрическое поля. Поэтому при циркулировании в открытом колебательном контуре токов высокой частоты в окружающем пространстве будет возникать электромагнитное поле.

Сила или, лучше сказать, напряженность этого поля будет тем большей, чем сильнее вызвавший его ток, чем. больше амплитуда колебаний тока в контуре. Колебательный ток с небольшой амплитудой создаст вокруг антенны электромагнитное поле небольшой напряженности. Наоборот, ток с большой амплитудой создаст сильное электромагнитное поле. Чем больше напряженность поля, тем на более далеком расстоянии оно способно действовать.

Излучение радиоволн. Мы вплотную подошли едва ли не к самому сложному явлению, с которым имеет дело радиотехника,— к возникновению излучения радиоволн. Нам нужно «заставить» перемещаться переменное электромагнитное поле антенны. Опираясь на формулировку, приведенную в начале статьи, мы можем поставить знак равенства между перемещающимися электромагнитными полями и радиоволнами. Останется пояснить, в силу каких причин электромагнитное поле «покидает» антенну и «отправляется» в самостоятельное путешествие.

Электромагнитное поле антенны «дышит» с частотой вызвавшего его тока. Следуя за всеми изменениями тока в антенне, поле как бы втягивается в антенну, когда ток в ней уменьшается до нуля, и как бы разбухает, когда ток достигает максимального значения.

Ток в антенне не ждет. Счет идет на микросекунды. Электромагнитное поле должно поспевать вслед за током «втягиваться» и «разбухать». Тем участкам электромагнитного поля, которые находятся у самой поверхности провода антенны, не потребуется много времени на то, чтобы быстро «всосаться» обратно в антенну при «втягивании», т. е. в моменты прекращения в ней тока. Но участкам, находящимся на периферии огромного электромагнитного поля, придется поспешить. Может получиться, в действительности так и получается, что периферийные участки поля еще не успевают «втянуться» в антенну, как навстречу им начнет двигаться, «разбухая», новое поле. Оно не пропустит к антенне остатки уже «втянутого» поля (рис. 8).

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Рис. 8. Антенна излучает радиоволны толчками, отгоняя.

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Рис. 9. Путь, который успевает пройти излучаемая радиостанцией волна за время одного периода колебаний тока в антенне, называется длиной волны.

«Запоздавшее» поле будет отброшено антенной. С каждым «вздохом» электромагнитного поля антенна будет толчками отбрасывать в пространство «опоздавшую» его часть. Оттесняя друг от друга в стороны, отброшенные части электромагнитного поля будут вынуждены отходить все дальше от антенны, перемещаясь в пространстве. Так происходит излучение радиоволн.

Будь электромагнитное поле более «аккуратным», успевай оно своевременно «втянуться» в антенну, никакого излучения не получилось бы. У замкнутого колебательного контура поле очень небольшое. Почти все оно успевает аккуратно следовать за всеми изменениями тока. Не происходит почти никаких запозданий! Но зато практически не получается излучения радиоволн.

Длина волны. Скорость, с какой волны увеличивают расстояние между собой и антенной, нам уже известна: 300 000 км в секунду. Такую огромную скорость -как нельзя лучше характеризует слово «излучение». Неслучайно все отрасли техники, использующие «перемещающиеся электромагнитные поля», получили приставку «радио»: радиосвязь, радиопеленгация, радионавигация, радиолокация и пр. Слово «радио» происходит от латинского слова «радиус», означающего «луч».

С каждым новым колебанием электрического тока в антенне в пространство излучается очередная волна. Сколько колебаний тока, столько волн. Но сколько%бы волн ни излучалось, скорость их распространения строго постоянна. Через секунду после начала излучения «голова» первой волны окажется на расстоянии 300 000 км от антенны. Все остальные волны займут промежуточное положение между «головной» волной и антенной радиостанции. На долю каждой волны придется тем меньшее расстояние, чем больше волн излучает за секунду антенна, т. е. чем выше частота колебаний тока в антенне. Если частота тока равна 1 Мгц то это значит, что за секунду антенна излучает 1 000 000 волн. Все они занимают в пространстве, считая по прямой линии в сторону от излучающей антенны, 300 000 км. На долю каждой волны придется 300 000 : 1 000 000 = 0,3 км = 300 м.

Это расстояние есть путь, который успеет пройти волна, излучаемая радиостанцией за время одного колебания тока в антенне, т. е. за один период колебаний (рис. 9) Оно называется длиной волны, которая обозначается греческой буквой  (ламбда).

При понижении частоты колебаний каждая волна займет больше места в пространстве. Если к примеру частота колебаний тока в антенне равна 100 кгц и, следовательно, антенна излучает в секунду 100 000 волн, то каждая волна «растянется» в пространстве на 300 000 : 100 000 = 3 кж = 3 000 м.

Наоборот, при повышении частоты колебаний тока в антенне волны должны будут «сжаться». При частоте 100 Мгц длина волны составит лишь  300 000 : 100 000 000 = 0,003 км = 3 м.

Таким образом, чем меньше частота, тем больше длина волны (ламбда2 на рис. 9). И, наоборот, чем больше частота, тем короче волна (ламбда1 на рис. 9).

Длина волны ламбда и частота f обратно пропорциональны друг другу. Поэтому длину электромагнитной волны ламбда всегда можно вычислить, если разделить скорость распространения этой волны, равную 300 000 км в секунду, на частоту f. Для того чтобы длина волны получилась в метрах, как ее обычно принято выражать, скорость распространения также следует брать в метрах (300 000 000 м). Следовательно, можно написать:

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Если же частоту выражать в килогерцах, то в этих формулах для получения длины волны в метрах скорость распространения надо брать в километрах (300000 км), т. е.

О том что такое радиоволны и колебательный контур

Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.

 голосов: 2  просмотров: 503   → Статьи для начинающих  


Добавить комментарий
Ваше имя:

Ваш E-Mail:



Введите код с картинки