преимущества. В 1891 г. в городе Лауфен на реке Неккар М. О. До-ливо-Добровольский установил водяную турбину мощностью 300 л. с. Турбина приводила в движение генератор переменного тока. От генератора ток поступал на трансформаторы, повышавшие его напряжение до 25 кв. Затем этот ток передавался в город Франкфурт-на-Майне, где в то время была электротехническая выставка. Здесь напряжение опять трансформировалось примерно до 100 в, и ток с таким напряжением использовался для питания электрических машин, двигателей и для других целей.

Обмотми генератора

Обштки электро--двигателя

Рйс. 44. Соединение обмоток генератора трехфазного тока и потребителя звездой

По пути, проложенному Доливо-Добровольским, пошло все дальнейшее развитие промышленной электротехники. Почти все современные электростанции- вырабатывают переменный электрический ток.

Емкость в цепи постоянного и переменного тока

При замыкании цепи, состоящей из батареи Б, измерительного прибора ИП и конденсатора С (рис. 45), электроны с минуса батареи устремляются к одной из пластин конденсатора. При этом они не могут пройти через изолятор (диэлектрик), разделяющий

Иапрйтенив

/Ч^ Величина

Рис. 45. Заряд конденсатора. Ток в цепи конденсатора и напряжение на его пластинах при заряде

пластины, так как в нем нет свободных электронов. Но электрическое поле, образующееся между пластинами конденсатора, влияя на электроны атомов диэлектрика, как бы смещает электроны в сторону другой пластины - через конденсатор, как говорят, про-

4 Ю. 0, Костыков, л. Ц. Ермолзев

Поршень

Упругая перепонка

Рис. 46. Вода в трубке под давлением поршня придет в движение, несмотря на то что трубка перегорожена упругой перепонкой

ХОДИТ ТОК смещения. Электроны с пластины конденсатора, к которой смещаются электроны атомов диэлектрика, отталкиваются к плюсу батареи. По цепи проходит электрический ток. Когда одна пластина приобретает избыток, а на другой создается недостаток электронов, соответствующие избытку и недостатку электронов на полюсах батареи, движение электронов- прекращается и ток в цепи

исчезает. Следовательно, электрический ток в цепи с конденсатором протекает только до тех пор, пока разность потенциалов на пластинах конденсатора не сравняется с разностью потенциалов на полюсах батареи; после этого ток прекращается. Это можно проверить, наблюдая за стрелкой включенного последовательно с конденсатором измерительного прибора. При замыкании цепи его стрелка отклоняется в сторону, указывая на появление тока, и затем возвращается к нулю.

Прохождение тока через конденсатор напоминает передвижение воды под давлением порщня в трубке, разделенной резиновой перепонкой на две не сообщающиеся между собой части. Двигая в некоторых пределах порщень, можно заставить двигаться частицы воды во всей трубке, хотя вода перетекать из одной части трубки в другую не может (рис. 46).

Иное получится, если конденсатор подключить к источнику электрической энергии переменного тока. Когда за первый полупериод напряжение источника электрической энергии будет возрастать от нуля до максимального значения - амплитуды, пластины конденсатора будут заряжаться, как и от источника электрической энергии постоянного тока. Как только напряжение источника электрической энергии начнет уменьшаться, напряжение конденсатора окажется больше напряжения источника и конденсатор будет разряжаться.

За второй полупериод напряжение источника переменит знак на обратный и ток на заряд конденсатора пойдет в обратном направлении. Конденсатор начнет заряжаться, но при этом пластина, заряжавшаяся в первый полупериод положительно, будет теперь заряжаться отрицательно, и наоборот. Когда напряжение источника электрической энергии достигнет максимума, конденсатор зарядится до максимальной величины и напряжение на его пластинах сделается равным амплитуде напряжения источника. При уменьшении напряжения источника электрической энергии конденсатор снова начнет разряжаться, ток в цепи конденсатора переменит направление и пойдет из конденсатора к источнику тока.

Таким образом, хотя пластины конденсатора разделены слоем

изоляции 50

диэлектриком - и цепь фактически разорвана, пере-

менный ток все же проходит по ней. Правда, электроны, как мы уже говорили, не могут пройти от одного зажима источника электрической энергии до другого, как при постоянном токе, но и без конденсатора они при переменном токе не проходят по такому пути, а только передвигаются то в одну, то в другую сторону от каких-то своих средних положений. Поэтому можно считать, что конденсатор пропускает переменный ток, хотя и оказывает ему со-противление,-

Величина емкостного сопротивления зависит от емкости конденсатора и от частоты протекающего по нему переменного тока. Чем больще емкость конденсатора, тем больщее количество электричества должно протечь по цепи, чтобы зарядить его до амплитудного значения напряжения источцика электрической энергии. Чем больше частота, тем быстрее это количество электричества должно переноситься по цепи вперед и назад.

Величина тока - это количество электричества, протекающего через поперечное сечение провода цепи в одну секунду; поэтому, если количество электричества и скорость его движения увеличиваются, величина тока также возрастает. Большая же величина тока при неизменном напряжении может быть лишь следствием меньшего сопротивления. Поэтому чем больше емкость конденсатора и частота протекающего через конденсатор тока, тем меньше его сопротивление, и наоборот.

г л а в а 5 АЗБУКА РАДИОТЕХНИКИ

Волны

Каждый из нас не раз бросал в воду камни и наблюдал, как по ее поверхности во все стороны кругами разбегаются волны. Подобные же волны разбегаются от проходящего по реке парохода или плывущего человека. Когда на пути волн встречаются плавающие в воде предметы - щепки, ветки,- волны раскачивают их, причем Эти предметы не двигаются вслед за волной, не удаляются от места, где они находились вначале, а лишь раскачиваются возле него. То, что плавающие предметы не уносятся волнами, доказывает, что и. вода не перемещается вместе с волнами, иначе она понесла бы с собой все, что на ней плавает (как при течении реки). Значит, бежит только волна, а вода остается на месте.

Можно самому создать хорошо видимые бегущие волны, укрепив один конец длинной веревки и резко встряхнув другим ее концом вверх и вниз. По веревке от руки побежит волна, состоя-ш.ая из изгиба вверх - гребня и изгиба вниз - впадины. Волна дойдет до места прикрепления веревки и оттуда, отразившись, словно мяч от стенки, возвратится к руке.

Оказывается, если в упругих веществах вывести какую-либо частицу из нормального устойчивого положения, то она будет стремиться вернуться в исходное положение. Вернувшись в первоначальное положение, частица в нем не удержится, а проскочит по инерции мимо и, подобно маятнику часов, опять отклонится в сторону. Отсюда в силу упругости она снова направится в свое первоначальное положение и так будет колебаться относительно него до тех пор, пока не израсходует всю полученную при первом качании энергию.

Во время колебаний частица будет увлекать за собой соседние частицы, а те - следующие, и, таким образом, в колебательное движение начнут вовлекаться все более и более удаленные частицы. Колебания, передаваясь от одной частицы к другой, будут распространяться все дальше и дальше от места своего возникновения.

Такое распространение колебаний и представляет собой волны.

Для образования волн необходимо затратить некоторую энергию. В свою очередь волны могут отдавать энергию, затраченную на их создание, и производить работу - раскачивать плавающие предметы и т. п.

Наблюдая за различными волнами, нетрудно заметить, чем они различаются.

Прежде всего они различаются высотой, или размахом. Одни волны могут быть маленькими, едва возвышающимися над нормальным уровнем воды, другие - большими (морские волны в бурю). Эта высота, или размах, волны в технике носит название амплитуды волны.

Длина волны

Рис'. 47. Длина волны измеряется поперек волн

Другое различие - это длина волны. Волны могут часто следовать одна за другой на небольшом расстоянии и, наоборот, иметь от гребня до гребня расстояние в десятки метров. Это расстояние от гребня до гребня волны (или от впадины до впадины) в технике называется длиной волны (рис. 47).

Наконец, последнее различие волн - это скорость их распространения. В одних условиях волны могут распространяться с небольшой скоростью, в других - с большой.

Звуковые волны

Волны могут образовываться в различных средах. Например, при быстрых колебаниях каких-либо тел волны образуются в воздухе. Зажмите один конец упругой пластинки в тиски, а другой конец, отведя в сторону, отпустите. Пластинка в силу своей упругости начнет быстро раскачиваться (рис. 48). При движении пластинки в одну сторону она будет давить на прилегающие к ней частицы воздуха, и они сожмутся. Давление в этом месте увеличится и сделается больше нормального атмосферного. Это увеличение давления будет передаваться от одной частицы к другой, и

от пластинки начнет распространяться волна сжатия. В следующий момент пластинка, дойдя до предельного положения, начнет двигаться в другую сторону, и на месте бывшего сгущения образуется разрежение, которое также побежит вслед за волной сжатия.

При последующем движении пластинки в прежнем направлении сгущение снова повторится. taKHM образом, благодаря упругости окружающего воздуха при колебании пластинки в нем будут распространяться во все стороны волны, состоящие из чередующихся сгущений и разрежений.

Рис. 48. Колеблющаяся лластинка образует вокруг себя воздушные

волны

Удар по камертону, чашечке звд,нка, дергание за натянутую^ струну - все это выводит указанные предметы из равновесия и заставляет их колебаться, а всякое крлеблющееся тело создает в окружающей среде волны. Тело, находящееся в спокойном состоянии, образовывать вокруг себя волны не может.

Волны, распространяясь от колеблющегося тела и встречйя на своем пути другое тело, способное колебаться, могут раскачать его, и оно тоже начнет колебаться. В частности, такое явление происходит с барабанной перепонкой нашего уха. Под действием воздушной волны она начинает колебаться подобно лодке, раскачивающейся на волнах. Эти колебания передаются по слуховым нервам, и мы начинаем ощущать звуки. Поэтому такие волны называют звуковыми.

Звуковые волны могут возникать и распространяться не только в воздухе, но и во, многих других средах. Известно, например, что, приложив ухо- к железнодорожным рельсам, можно узнать о приближении поезда задолго до того, как будет услышан его шум по воздуху. Это доказывает, что звуки распространяются и по рельсам, которые проводят звук даже лучше, чем воздух.

Скорость распространения звуковых волн в различн?1х средах различна. Так, например, в воздухе звуковые волны распространяются со скоростью около 340 м/сек, в воде эта скорость возрастает до 1500 м/сек, а в железе - до 5000 м/сек.

В некоторых веществах, например в муке или песке, звуковые волны почти совсем не могут возникнуть, потому что эти вещества, не обладают необходимой упругостью.

В гортани человека имеются так называемые голосовые связки - нечто вроде естественных струн. Когда через них проходит воздух, они начинают колебаться, колебания передаются окружающему воздуху, и таким образом получаются звуки. Подходящие к голосовым связкам нервы и мыщцы, управляющие этими связками, позволяют нам издавать членораздельные звуки - разговаривать.

Телефон и микрофон

Звуки в воздухе, даже самые сильные, вроде звука пущечного выстрела, довольно быстро ослабевают с увеличением расстояния и на больщом расстоянии становятся вовсе неслышными. Электрический же ток по проводам можно передавать на большие расстояния. Поэтому с развитием науки об электричестве зародилась идея передачи звуков на большие расстояния при помощи - -... Мембрана электрического тока. Для этого необходимо звуковые колебания воздуха преобразовать в колебания электрического тока, передать эти колебания тока по проводам на заданное чрасстояние и затем снова преобразовать их в звуковые колебания.

На заре развития телефонии для обоих видов преобразования колебаний был использован электромагнитный телефон (рис. 49), состоящий

из постоянного магнита, на концах которого намотана медная изолированная проволока, и тонкой железной пластинки - мембраны, расположенной перед полюсами магнита. Когда перед мембраной произносят слова, она под влиянием звуковых волн начинает колебаться, то приближаясь к магнитным полюсам, то удаляясь от них. При приближении стальной мембраны к магниту поле магнита усиливается, а при удалении ослабевает. Вследствие изменения поля магнита в обмотках появляется ЭДС, изменяющаяся в соответствии со звуковыми колебаниями.

Если концы обмотки присоединить к линии, то по ней потечет переменный ток, изменения которого соответствуют изменениям звукового воздушного давления на мем^брану телефона. Дойдя до приемника, т. е. до такого же телефона, ток пойдет по его обмотке и будет то усиливать, то ослаблять магнитное поле постоянного магнита. Мембрана телефона начнет колебаться в такт с. колеба-

Рис. 49. Устройство электромагнитного телефона

ниями приходящего тока. Колебания мембраны передадутся окружающему воздуху, и в нем возникнут звуки, произнесенные перед мембраной телефона на противоположном конце л'инии.

Телефон как преобразователь электрических колебаний в звуковые дал очень хорошие результаты, и до сегодняшнего дня он широко применяется в телефонии и радиотехнике. Использование же его как преобразователя звуковых колебаний в электрические оказалось невыгодным. Телефон-передатчик давал очень маленькую мощность, недостаточную для работы на сколько-нибудь значительное расстояние. Вскоре был изобретен новый, более совершенный прибор. Его действие основывалось на уже известном в то время явлении сильного изменения электрического сопротивления двух соприкасающихся углей при очень малом изменении давления.

Прибор, работающий по этому принципу, оказался гораздо более чувствительным к слабым звуковым колебаниям и как передатчик давал значительно большую мощность, чем телефон. Ползание мухи по прибору было громко слышно в приемном телефоне. Тиканье карманных часов, лежащих на подставке прибора, было слышно в телефоне подобно ударата по накс?вальне. Вследствие высокой чувствительности к таким, казалось бы, микроскопически слабым звукам этот прибор был назван микрофоном.

Первые конструкции микрофона были не совсем удачными. Сначала его делали из двух угольных колодок, укрепленных в горизонтальном положении одна параллельно другой, и маленькой угольной палочки с заостренными концами, которая свободно вставлялась в небольшие углубления в колодках. Колодки, электрически соединяющиеся между собой через палочку, включались в цепь, состоящую из телефона и электрической батареи. При разговоре угольная палочка под действием звуковых волн колебалась, сопротивление контакта палочки и колодок менялось, отчего изменялась и величина проходящего по цепи электрического тока.

Были предложены и иные конструкции микрофона, но все они давали еще недостаточно большие изменения сопротивления микрофона и, следовательно, посылали в линию слабый сигнал. Кроме того, пользование таким микрофоном было связано со значительными неудобствами: к микрофону нельзя было прикасаться и шевелить его, поэтому микрофон приходилось наглухо прикреплять к телефонному аппарату. От такого аппарата при разговоре нельзя было отодвинуться или отвернуться, так как иначе собеседник переставал слышать.

Выдающееся изобретение в области усовершенствования микрофона сделал русский инженер Маврикий Махальский. В 1879 г. он подал в Департамент торговли и мануфактур заявку на изобретенный им порошковый микрофон. Вместо одной угольной палочки, применявшейся в прежних конструкциях микрофона, Махальский применил графитовые нли угольные зернышки. Микрофон Махаль-ского оказался настолько совершенным, что и в наши дни (с небольшими конструктивными изменениями) он является самым распространенным типом микрофона,

в микрофоне имеются две угольные пластинки: одна меньшего диаметра, но толстая, другая большего диаметре, но очень тонкая, воспринимающая звуковые колебания. Промежуток между ними заполнен угольными зернышками (рис. 50). Чтобы зерна не рассыпались, их вместе с маленькой колодкой заключают в мягкое войлочное кольцо, которое не мешает -колебаться тонкой угольной пластинке - мембране. Под действием звуковых волн угольная

, Угольный порошон Угольная i Нрепящее мембрана / кольцо

I I /

Войлочное -СГ орпус нольцо ..-щ^ш^ Прцжиняш.и$ Угольная .звездочки,

колодка. Контактный изолированная винт от корпуса

Рис, 50. Устройство угольного микрофона

мембрана колеблется, сдавливая угольные зерна то сильнее, то слабее; сопротивление контактов между ними резко изменяется, что вызывает изменение величины проходящего через микрофон тока.

Электромагнитные колебания

Кроме описанных выше механических и звуковых волн, существуют еще волны электромагнитные.

По своим свойствам, проявлениям, воздействиям на человеческий организм эти волны крайне разнообразны. К ним относятся и таинственные, приходящие из неведомых межзвездных пространств космические лучи, и выделяющиеся при атомных реакциях гамма-лучи, и используемые для просматривания непрозрачных тел, в частности живых организмов, рентгеновские лучи, и оптические лучи (видимый свет, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи), и, наконец, используемые в радиотехнике радиоволны.

Однако природа всех этих волн одна и та же. Одинакова и скорость их распространения - около 300 ООО км/сек. Представите, насколько велика эта скорость, можно, подсчитав, что расстояние от Москвы до Ленинграда (600 км) электромагнитные волны пройдут

примерно за долю секунды, а от Земли до Луны (около

400 000 км) - за 1,3 сек.

Чтобы понять, что собой представляют применяемые в радиотехнике электромагнитные волны, или, как их еще коротко называют, радиоволны, разберем, как же они практически получаются.

Колебательный контур

Как же практически получить электромагнитные волны, которые можно было бы использовать для радиопередачи? Оказалось, что наиболее удобно для получения электромагнитных колебаний использовать устройство, называемое электрическим колебательным контуром. Этот контур (рис. 51) состоит из индуктивности (катушки из провода) и емкости (конденсатора). В таком контуре может происходить ряд интересных явлений. Рассмотрим их.

Рис. 51. Электрический колебательный контур

Если конденсатор присоединить к электрической батарее, на его пластинках появится некоторый электрический заряд, а напряжение между пластинами станет таким же, как и напряжение батареи: на одной пластине будет плюс, а на другой - минус. Если теперь конденсатор отключить от батареи и присоединить к катушке, то он получит возможность разряжаться - через катушку потечет ток. Будь вместо катушки очень короткий, не обладающий индуктивностью провод, конденсатор моментально бы разрядился. Но, как известно, когда по катушке течет ток, вокруг нее создается магнитное' поле, препятствующее быстрому нарастанию тока, вследствие чего ток увеличивается сравнительно медленно, постепенно. Все же в конце концов наступит момент, когда вся энергия, накопленная в конденсаторе, израсходуется и напряжение на нем сделается равным нулю.

Когда напряжения на конденсаторе нет, на его пластинах нет ни избытка, ни недостатка электронов и ток в цепи должен стать равным нулю. Должен, но не станет! Как только ток начнет уменьшаться, магнитное поле катушки начнет убывать, изменяющийся магнитный поток будет наводить в катушке ЭДС самоиндукции, которая не даст току мгновенно исчезнуть. Она будет стремиться поддержать его. Но так как напряжение на конденсаторе равно нулю, а ток за счет ЭДС самоиндукции продолжает идти, конденсатор опять начнет заряжаться, вернее перезаряжаться; теперь уже на верхней пластине будет минус, а на нижней плюс,

Когда все магнитное поле катушки исчезнет, конденсатор зарядится до максимальной величины. Теперь процесс разряда конденсатора начнется снова, только разрядный ток пойдет уже в обратном направлении. Он также потечет через катушку, напря-