жение на конденсаторе опять будет убывать, а магнитное поле вокруг катушкйГ возрастать. Когда напряжение на конденсаторе станет равным нулю и возрастание тока прекратится (в этот момент ток будет иметь максимальную величину), магнитное поле не даст ему моментально исчезнуть. Магнитный поток, уменьшаясь, будет наводить в катушке ЭДС самоиндукции, которая заставит ток течь в прежнем направлении и вновь заряжать конденсатор. Снова на верхней пластине появится положительный заряд, а на нижней отрицательный.

Этот процесс электромагнитных колебаний напоминает качание вверх и вниз гири, подвешенной на пружине, или качание из стороны в сторону грузика, подвешенного на нитке (рис. 52).

Рис. 52. Сравнение колебаний маятника, груза на пружинке и электрической энергии в контуре

Отведем грузик в сторону и отпустим. Под действием силы тяжести он начнет опускаться вниз, но, дойдя до нижнего положения, не сможет остановиться и проскочит по инерции в противоположную сторону. Затем опять начнет опускаться, но, снова проскочив нижнее положение, отклонится в сторону.

Если бы нить не обладала жесткостью и не было бы трения грузика и нити о воздух, то грузик поднимался бы каждый раз до того положения, из которого его отпустили. Но так как энергия, сообщенная грузику, расходуется на преодоление этих вредных сопротивлений, то размах качаний постепенно убывает и, наконец, колебания прекращаются совершенно.

То же самое получается и в контуре. Если бы в ем не было никаких потерь, то напряжение на конденсаторе, совершив полное колебание, опять стало бы равным напряжению батареи, от которой первый раз зарядили конденсатор. Но сделать контур без потерь невозможно. Поэтому к концу первого колебания конденса-тЪр вследствие различных потерь, например нагрева проводов, зарядится уже до некоторого меньшего напряжения. Еще через один период напряжение будет еще меньше, и так до тех пор, пока

Иеэат1/хающие колебание

Время,

ш

Затухающие колебания в контуре с маль(ми потерями

Затухающие колебания в нонтуре^с большими потерями

Рис. 53. Графическое изображение колебаний

вся энергия, первоначально сообщенная конденсатору, не израсходуется, и тогда колебания прекратятся. Такие колебания с уменьшающейся амплитудой называются затухающими (рис. 53).

Если потери в контуре невелики, или, как говорят, контур хорошего качества, амплитуда колебаний будет уменьшаться медленно, энергии хватит надолго и колебания затухнут не скоро. Если же потери в контуре велики, то после каждого колебания амплитуда будет быстро уменьшаться и колебания скоро затухнут. Добавляя в контур при каждом колебании по небольшой порции энергии, возмещающей потерянную, можно достичь такого положения, при котором амплитуда колебаний уменьшаться не будет-колебания станут незатухающими.

Вспомним маятник в часах; там часовой механизм с пружиной или гирей подталкивает маятник, добавляя ему энергию, которую он израсходовал на преодоление трения, и поэтому амплитуда качания маятника не уменьшается - он совершает незатухающие колебания. При электрических колебаниях подталкивающим- ме-

ханизмом являются электронная лампа и батарея. Соединенные соответствующим образом колебательный контур, электронная лампа и электрические батареи составляют генератор, создающий незатухающие колебания.

Открытый колебательный контур

, В колебательном контуре происходит как раз то, что необходимо для создания радиоволн. Заряд на пластинах конденсатора совершает колебания, аналогичные колебаниям уже знакомой нам стальной пластинки, зажатой в тиски и образующей звуковые волны в воздухе. Под действием колебаний в электрическом контуре -в окружающем пространстве создаются электромагнитные волны. Но эти волны настолько слабы, что обнаружить их почти невозможно. Происходит это потому, что почти все электрическое поле заключено в крошечном пространстве между пластинами конденсатора, а почти все магнитное поле - внутри катушки.

Когда в океане бушует шторм, то в закрытой гавани сравнительно тихо и спокойно, и суда могут укрыться там от непогоды. Если бы можно былсЗ внутри гавани создать гигантские волны, то тогда, наоборот, в океане было бы тихо и спокойно. Почему? Да потому, что гавань закрыта почти со-всех сторон берегами, которые в первом случае не пропускают волн из океана, а во втором случае не выпускали бы их из бухты, и весь ураган ограничивался бы пределами бухты. То же получается и в нашем контуре, являющемся своего рода бухтой, в которой бушует электрический ураган.

Для того чтобы волны разбегались на большие расстояния, нужно расширить выход из бухты , т. е. разнести пластины конденсатора как можно дальше одну от другой, а также растянуть витки катушки. Чтобы при этом не уменьшались емкость и индуктивность, а следовательно, не изменялись данные контура, необходимо соответственно увеличить размеры пластин конденсатора и витков катушки (рис. 54).

Иметь дело с пластинами больших размеров было бы крайне неудобно, поэтому обычно одну из них заменяют проволокой, которую можно рассматривать как очень узкую, но длинную пластину, вторую же пластину можно заменить землей. Земля, особенно если она влажная, является неплохим проводником электричества, представляя собой как бы огромных размеров пластину.

Катушку тоже можно заменить прямой проволокой, так как и вокруг нее образуется магнитное поле. В результате такого видоизменения контура в нем по-прежнему могут совершаться электрические крлебания, но.выход для волн из бухты - конденсатора и

-катушки - резко расширяется. Волны получают возможность выйти на океанские просторы и распространяться на большие расстояния. Такой разнесенный , или открытый, колебательный контур

используется- в радиотехнике для излучения и приема радиоволн. Это всем известные антенна и заземление,

Колебания в открытом колебательном контуре все же несколько отличаются от колебаний в обычном замкнутом контуре. В замкнутом контуре вся емкость сосредоточена в конденсаторе, а вся

У Т^£/М^£,Ш'/

Элентричесное поле

Рис. 54. Превращение колебате-чьного контура в излучающее устройство

индуктивность - в катушке. В открытом же контуре каждый кусочек провода имеет одновременно и индуктивность и емкость. Поэтому здесь весь провод является одновременно и емкостью, создающей электрическое поле, и индуктивностью, образующей магнитное поле.

При колебаниях в открытом контуре энергия, сообщенная контуру, не переходит из конденсатора в.катушку и обратно, а то сосредоточивается в индуктивности провода в виде энергии магнитного поля, то переходит в емкость того же провода и собирается в ней в виде энергии электрического поля. Таким образом, при колебаниях в открытом контуре неизбежно происходят изменения как в электрическом, так и в магнитном полях. Эти изменения распро-

страняютСя во все стороны в виде электрических и магнитных воЛН. Оба вида волн всегда получаются совместно и совместно распространяются в пространстве. Электрические и магнитные волны не могут существовать в отдельности, поэтому и имеют общее название - электромагнитные волны.

Частота колебаний и длина радиоволны

Получающиеся в контуре колебания происходят с одной определенной частотой. Это объясняется тем, что частота электрических колебаний в контуре зависит только, от величин его емкости и индуктивности. Чем больше емкость, тем больший заряд она вместит при данном напряжении, а следовательно, и на разряд этой емкости потребуется больше времени. Колебания будут происходить медленнее, частота будет меньше. Чем больше индуктивность катушки, тем медленнее в ней происходит нарастание и убывание тока, а значит, и больше времени потребуется на каждый цикл колебаний; частота будет также меньше. Поэтому, когда нужно получить очень частые колебания, индуктивность и емкость нужно брать маленькими. Для получения медленных колебаний индуктивность и емкость выбираются большими.

Электромагнитные волны, как и любые другие, характеризуются амплитудой волны, длиной волны и скоростью их распространения.

Амплитуда электромагнитных волн представляет собой величину изменения силы электрического -или магнитного поля. Амплитуда зависит от мощности источника электрических колебаний, который создает эти волны, и от расстояния до него, С увеличением расстояния амплитуда быстро уменьшается.

Наконец, длину электромагнитной волны можно определить как расстояние, которое пробегает волна за время одного колебания. Частота источника колебаний показывает, сколько волн создает он в одну секунду. Скорость же распространения волн показывает, какое расстояние эти волны пробежали в одну секунду, на каком расстоянии они растянулись .

Поэтому между длиной волны, скоростью распространения и частотой колебаний существует следующая зависимость:

Длина волны (в метрах) = Скорость распространения волны (в Метрах в секунду) ~ Частота колебаний (в герцах)

Передающая радиостанция

Генератор электрических колебаний высокой частоты, т. е. соединение колебательного контура, электронной лампы (с которой мы познакомимся несколько ниже) и электрической батареи, создает

быстрые незатухающие электрические колебания. Если эти колебания подать в открытый колебательный контур, то в окружающее пространство будут излучаться электромагнитные волны. Так как колебания, создающие эти волны, имеют неизменную амплитуду, то и волны' будут образовываться с постоянной амплитудой.

Подобно тому как при телефонировании по проводам при помощи микрофона можно заставить постоянный ток изменять свою

Звуковые нолебания

Нолебания высокой частоты

Модулированные колебания

Модуляция 50%

Рис. 55. Графическое изображение процесса модуляции колебаний высокой частоты звуковыми колебаниями

величину в соответствии со звуковыми колебаниями и таким образом передавать звуки, здесь можно посредством того же микрофона заставить выполнять эту задачу электромагнитные волны. Для этого необходимо микрофон включить в цепь на пути электрических колебаний от генератора в антенну. Тогда при разговоре в такт с изменением звукового давления будет изменяться сопротивление микрофона, а следовательно, и величина тока, поступающего в антенну. .- . - .

Если изменяется амплитуда колебаний в антенне, то изменяется и амплитуда волн, создаваемых этими колебаниями.

Радиоволны, распространяющиеся вокруг антенны, будут изменять свою амплитуду соответственно звуковому давлению на мембрану микрофона.

Этот процесс изменения амплитуды незатухающих колебаний

радиопередатчика в соответствии со звуковой частотой называется модуляцией. Отсюда и устройство (в нашем простейшем примере микрофон), осуществляющее модуляцию, называется модулятором, а получающиеся в результате модуляции колебания с изменяющейся амплитудой - модулированными колебаниями. Колебания, вы-

Мелная модуляция 30%

Глубокая модуляция 100% т

Перемодуляция (искажение, звуков) Л

Рис. 56. Графическое изображение колебаний с различной глубиной модуляции

рабатываемые генератором и подвергающиеся модуляции, а в дальнейшем переносящие на себе звуковые колебания, называются несущими.

Рассмотренный выше простейший способ модуляции оказался неудобным, экономически невыгодным, а порой просто непригодным (например, в мощных передатчиках), поэтому были разработаны другие, более совершенные т^щы модуляторов. В их состав, кроме микрофона, входит еще усилитель на электронных лампах, позволяющий усиливать в нужной степени колебания, даваемые микро-

0 Ю. в. Костыков, Л. Н. Ермолаев 65

фоном, и модулировать сильные электрические колебания. Графи- ческое изображение процесса модуляции дано на рис. 55.

В зависимости от силы воздействия звуковых крлебаний на колебания высокой частоты можно- получить различную глубину модуляции. Если звук слабый, то амплитуда колебаний высокой частоты изменится незначительно, модуляция получится неглубокой (рис. 56). При сильных звуках амплитуда несущих колебаний изменится сильно, модуляция получится глубокой, при очень сильных звуках модуляция может достигнуть такой глубины, что амплитуда несущих колебаний будет увеличиваться вдвое и уменьшаться до нуля. Такой случай предельно допустим, и о нем говорят, что модуляция достигла 100%. При еще более громких звуках будет происходить -так называемая перемодуляция и прием будет сопровождаться сильными искажениями.

Таким образом, для радиопередачи необходимо иметь следующие устройства: генератор, создающий незатухающие электрические колебания, модулятор, изменяющий амплитуду волны в такт с передаваемыми звуковыми колебаниями, и открытый колебательный контур - антенну, излучающую электрические колебания в виде электромагнитных волн.

Радиолюбители поправляют ученых

Согласно первым теориям распространения радиоволн считалось, что чем короче волна, тем быстрее она затухает и, следовательно, тем на меньшие расстояния возможна связь на этих волнах. Практика, казалось, подтверждала это, так как даже на небольших расстояниях при распространении радиоволн по прямому направлению более короткие радиоволны затухали сильнее. Если же на пути распространения волн находились различные препятствия (горы, холмы, большие здания), а также при больших расстояниях, когда начинала сказываться кривизна поверхности земли, преимущества длинных волн проявлялись еще резче. Длинные волны легче огибали такие препятствия и кривизну земли, тогда как волны в десятки и тем более в единицы метров почти не могли огибать препятствий, а за линией горизонта очень быстро затухали.

Поэтому, когда нужно было перекрывать большие расстояния, использовали радиостанции большой мощности и передачу вели на длинных волнах.

Примерно с 1920 г. во многих странах начало широко развиваться радиолюбительство. Радиолюбители хотели не только слушать радиопередачи, но и собирать передатчики для связи между собой. Встал вопрос о выделении для радиолюбительской работы какого-то участка волн. К этому времени длинные и средние волны уже были заняты серьезными радиостанциями, поэтому радиолюбителям отвели короткие волны, которые считались негодными для связи на большие расстояния. Каково же было удивление радиоинженеров и физиков, когда любители на этих негодных

волнах при помощи простеньких самодельных радиопередатчиков мизерной мощности стали перекрывать огромные расстояния, недоступные мощным длинноволновым радиостанциям.

Ученые различно отнеслись к этому открытию радиолюбителей. Советские специалисты, и в первую очередь ведущие работники Нижегородской радиолаборатории М. А. Бонч-Бруевич и Б. В. Та-таринов, немедленно развернули исследовательские работы в области коротких волн. В 1923 г. М. А. Бонч-Бруевич и Б. В. Тата-ринов закончили разработку специальной коротковолновой направленной антенны, в 1924 г. сдали в регулярную эксплуатацию линию радиосвязи на коротких волнах между Москвой и Ташкентом, а через некоторое время - линию между Москвой и Новосибирском.

Опыт, накопленный при эксплуатации этих первых магистральных коротковолновых линий связи, позволил М. А. Бонч-Бруевичу разработать метод выбора волн, наиболее подходящих для данного времени суток, и таким образом обеспечить бесперебойную радиосвязь между названными пунктами.

По-иному отнеслись к этому открытию радиолюбителей йекото-рые иностранные ученые. Находясь на службе у крупнейших радиофирм, вложивших капиталы в строительство длинноволновых радиостанций, они всячески стремились задержать прогресс радиотехники в области изучения коротких волн, чтобы дать время своим хозяевам извлечь прибыли и вернуть вложенные капиталы. Для этого они долго и упорно вопреки фактам продолжали отстаивать мысль о невозможности использовать короткие волны для дальних связей. Впрочем, это не помешало группе немецких специалистов, побывавших в 1923 г. на экскурсии в Нижегородской радиолаборатории и ознакомившихся с работами М. А. Бонч-Бруевича и Б. В. Татаринова по направленным коротковолновым антеннам, немедленно по возвращении в Берлин запатентовать для фирмы Телефункен аналогичную коротковолновую антенну, несколько изменив лишь расположение вибраторов.

Ионосфера

Почему негодные короткие волны преподнесли ученым такой неожиданный сюрприз? Почему волны разной длины обладают различной способностью распространения?

Попытаемся разобраться в этих вопросах.

Радиоволны, излучаемые антенной, распространяются различными путями. Одна часть волн, излучаемая горизонтально или под небольшим углом к горизонту, распространяется вдоль земной поверхности. Это так называемые поверхностные волны. Другая часть волн, излучаемая антенной под некоторым углом к горизонту, в конце концов теряет связь с землей и направляется в верхние слои атмосферы (рис. 57). Это пространственные волны.

5* . 67

Условия распространения радиоволн в верхних слоях Атмосферы исключительно своеобразны и в корне отличаются от условий распространения их у земной поверхности.

По ряду причин, главнейшая из которых - солнечное излучение, молекулы газов в верхних слоях атмосферы распадаются .на свободные электроны и положительно заряженные ионы.

В очень высоких слоях атмосферы, где газы сильно разрежены, не может образовываться много ионов и свободных электронов. В слоях пониже условия ионизации улучшаются, и число электронов и ионов возрастает. В еще более низких слоях ионизация снова падает, так как сюда почти не доходят ионизирую£цие лучи. Поэтому в атмосфере на .определенной высоте должен был бы получаться один слой ионизированного воздуха. Но так как степень

Рис. 57. Поверхностная и пространственная радиоволны

ионизации зависит от состава газа (различные газы обладают различной стойкостью к ионизации), от его температуры, давления и т. п., в атмосфере получается не один, а несколько таких ионизированных слоев.

Наиболее важны два слоя: один из них, расположенный на высоте около 100 км, называется слоем Е, а другой, на высоте около 200 км и выше, называется слоем F. Вся часть атмосферы, в которой происходит ионизация газов, называется ионосферой.

Под влиянием солнечного излучения в ионосфере непрерывно образуются все новые и новые ионы и свободные электроны. Но, сталкиваясь в своем хаотическом движении, часть этих ионов и электронов вновь соединяете^ в нейтральные атомы. В результате этого процесса наступает равновесие и в слое устанавливается в известной степени неизменная концентрация свободных электронов.

Ночью, когда солнечные лучи в атмосферу не попадают, ионизация прекращается. Так как в это время воссоединение ионов и электронов продолжается, то количество их в свободном состоянии