Покоренный электрон

Значит, для возбуждения очень быстрых, вернее, частых электрических колебаний следует иметь маленький конденсатор и небольшую катушку из 1–2 витков проволоки.

На заре радиотехники, когда в приемных и передающих радиостанциях использовались сравнительно медленные (редкие) колебания, приходилось применять огромные катушки и «пудовые» конденсаторы. Такие «первобытные» приемники весили по 16–20 килограммов.

Изменяя длину маятника, можно изменить частоту (период) его качаний; в этом нетрудно убедиться — стоит удлинить маятник часов-ходиков, он начнет качаться реже, а часы будут отставать.

Точно так же, изменяя самоиндукцию катушки или емкость конденсатора, можно по желанию увеличивать и уменьшать частоту колебаний в контуре, то есть настраивать его на ту частоту, какая нужна.

Чтобы привести маятник в движение, не требуется большого усилия, достаточно толкнуть его, и он начнет качаться. Но заставить маятник совершать вынужденные колебания, то есть раскачиваться чаще или реже, чем ему свойственно, весьма трудно. В этом случае приходится раскачивать его, не выпуская из рук.

И электрический маятник тоже легко воспринимает колебания, происходящие с его собственной частотой, но остается почти нечувствителен ко всем остальным колебаниям.

Колебания обычного маятника, если его не подталкивать, постепенно затихают, потому что энергия, полученная от толчка, расходуется на преодоление сопротивления воздуха и на трение в точке подвеса.

И в электрическом маятнике колебания затухают, потому что электронам приходится преодолевать сопротивление проводника. Но, кроме того, в колебательном контуре есть еще одна важная статья расхода энергии: излучение — создание в окружающем пространстве меняющихся электрического и магнитного полей — так называемых электромагнитных волн, бегущих от колебательного контура во все стороны и уносящих энергию его колебаний.

Сопротивление проводников и потери энергии на излучение приводят к тому, что электрические колебания в контуре быстро прекращаются.

Именно за счет энергии, тратящейся на излучение, осуществляется передача радиосигналов.

Электромагнитные волны, встречая на своем пути проводники, вызывают в них движение электронов. С этого начинается прием сигналов — радиоприем.

Открытый колебательный контур

В приемнике потери энергии на излучение вредны, поэтому конструкторы делают катушки самоиндукции и конденсаторы так, чтобы эти потери были наименьшими.

Зато в передатчике радиоволн нужен колебательный контур, который должен как можно больше излучать энергии — создавать мощные электромагнитные волны. Ведь главная задача передатчика — это посылать энергию приемникам. Поэтому и устройство передающего контура должно отличаться от устройства приемного контура.

Заряд образует вокруг себя электрическое поле; движущийся заряд создает кроме того еще и магнитное поле.

Электроны, колеблющиеся в контуре, порождают одновременно и электрическое и магнитное поля. Эти поля зависят друг от друга. Они неразрывно связаны друг с другом. Поэтому их обычно объединяют под одним названием: электромагнитное поле.

В контуре, состоящем из обыкновенного конденсатора и катушки, оба поля почти полностью заключены в промежутке между обкладками конденсатора и внутри катушки. Во внешнее пространство они почти не распространяются. Такой контур подобен фонарю, у которого светильник заслонен со всех сторон крышками. Его излучение ничтожно мало. Чтобы фонарь стал светить, а контур излучать, — их надо раскрыть: раздвинуть и развести в стороны обкладки конденсатора, заменить катушку длинным и прямым проводником.

Вокруг открытого контура образуется электромагнитное поле, которое распространяется во все стороны и, постепенно ослабевая, уходит в бесконечность (рис. 54).

Рис. 54. Три вида колебательных контуров: закрытый, полуоткрытый и открытый, иначе называемый антенной.

Когда рыба клюет и подергивает поплавок, от поплавка по поверхности воды концентрическими кругами разбегаются волны; когда колеблются стенки колокола или ножки камертона, от них в воздухе во все стороны распространяются звуковые волны. Точно также каждое колебание в контуре вызывает соответствующие колебания (волны) в электромагнитном поле. Однако надо помнить, что эти электромагнитные волны представляют собой колебания не частиц какого-то вещества, — воды или воздуха, а колебания самого электромагнитного поля. Поэтому они могут распространяться не только в воздухе, но и в безвоздушном пространстве. Скорость их распространения много больше скорости распространения волн на поверхности воды и звуковых волн. Радиоволны распространяются со скоростью света, то есть около 300 000 километров в секунду.

Различные виды электромагнитных колебаний отличаются друг от друга своей частотой, то есть числом колебаний в секунду. От числа колебаний в секунду зависит «длина волны», то есть расстояние, которое успевает пробежать волна за время одного колебания. Чем больше частоты, тем короче волна, и наоборот.

Длину волны любого вида излучения можно получить, разделив скорость его распространения на число колебаний в секунду. Обычные радиоволны, на которых передают концерты и информацию, имеют длины от 400 метров до 1–2 километров. Диктор ежедневно объявляет, на какой волне ведется передача.

Наиболее жесткий вид излучения — гамма- лучи имеют частоту, превышающую 3∙1020 колебаний в секунду, то есть свыше трехсот миллиардов миллиардов. Длина волны гамма-лучей, следовательно, измеряется миллионными долями микрона.

У остальных видов излучения длины волн больше: они образуют как бы лестницу со множеством ступеней, на которой в порядке возрастания длины волны располагаются рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, лучи видимого света, инфракрасные лучи, лучи открытые и изученные известным советским физиком А. А. Глагольевой-Аркадьевой, ультракороткие радиоволны и, наконец, на последних, нижних, ступенях этой лестницы находятся радиоволны, применяемые широковещательными станциями. В самом низу этой «лестницы» электрических колебаний оказывается колебание звуковой частоты в телефонных проводах и наш городской осветительный ток, он ведь тоже представляет собой колебания электронов, совершающиеся всего лишь 50 раз в секунду.

Существование электромагнитного излучения, имеющего сравнительно небольшие частоты, было доказано немецким физиком Генрихом Герцем.

Работа Герца была опубликована 10 декабря 1887 года. Основой исследований Герца послужили труды Фарадея, продолженные другим замечательным ученым — Максвеллом. Все, что сделал Герц, было предсказано теорией электромагнитных колебаний, которую математически разработал Максвелл. Герц выступил в науке как искусный строитель, который воздвиг здание по чертежам, полученным от архитектора. Он на опыте обнаружил явление, ранее предсказанное теорией. Но практического применения своему открытию Герц не нашел.

Великое русское изобретение

Огромное значение радиоволн понял и по-настоящему оценил русский ученый, преподаватель физики Минных офицерских классов в Кронштадте — Александр Степанович Попов.

Мысль об использовании радиоволн для телеграфирования без проводов зародилась у А. С. Попова еще в 1891 году. Четыре года ушло на обдумывание изобретения и на первые опыты.

7 мая 1895 года, на заседании Русского физико-химического общества, А. С. Попов сделал доклад о своем изобретении и тут же показал присутствовавшим ученым первый в мире приемник электромагнитных волн. Попов назвал прибор «грозоотметчиком», так как он улавливал «сигналы гроз», то есть принимал электромагнитные колебания, рожденные молнией (рис. 55).