Страница 14 из 17
А теперь об электромагнитах. Повторим опыт Эрстеда. Поднесите магнитную стрелку к проводам и накоротко присоедините к нему батарейку. Стрелка тотчас развернется перпендикулярно проводу. Если поменяете направление тока, стрелка повернется другим концом.
Свободно закрепите две полоски пищевой алюминиевой фольги на рамке. Их длина должна быть около 30 сантиметров, зазор между ними — 2–3 мм. Соедините полоски фольги последовательно и замкните на них батарейку. Потечет ток 5 — 10 А. Полоски разойдутся. Если соединить полоски параллельно, то при пропускании тока они сойдутся.
Это опыт Ампера. Обратите внимание, режим короткого замыкания для батарейки нежелателен и должен составлять несколько секунд.
Алюминиевая фольга обычно не притягивается к магниту, но пропустите ток через одну из полосок и поднесите к ней магнит. Она резко притянется либо оттолкнется от магнита (рис. 4).
Причина в том, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Последующее развитие науки подтвердило верность его гипотезы. Такие токи есть. Они вызваны движением электронов. Обмотайте гвоздь проводом и присоедините к батарейке. Получится электромагнит.
Электромагниты нашли широкое применение в технике. Некоторые из них создают силы в сотни тонн.
Железный предмет, побывавший в магнитном поле, намагничивается. Магнит, потерявший свою силу, можно намагнитить заново. Намотайте на него 150–200 витков изолированного провода диаметром 1 мм. Через эту обмотку кратковременно, на доли секунды, чтобы не успела перегреться, пропустите постоянный ток в 10–20 А, воспользовавшись батареей напряжением 9 — 12 В, составленной из гальванических элементов большого диаметра (рис. 5).
Пользоваться выпрямителем следует с большой осторожностью и только в том случае, если он снабжен системой защиты от короткого замыкания. Применение аккумуляторов для этой цели недопустимо. Они мгновенно выходят из строя.
Намагничивание приводит и к нежелательным последствиям. Например, часы, побывавшие в магнитном поле, показывают неверное время, к намагниченным отверткам прилипают шурупы, что мешает работе.
Размагнитить тела можно несколькими способами.
Если нагреть тело в пламени горелки почти до красного каления, то при температуре Кюри он потеряет свои свойства. После охлаждения его можно намагнитить вновь.
При помещении намагниченного тела в катушку с переменным электрическим током он размагничивается. Этим пользуются часовщики. Переменное магнитное поле или сильный магнит может стереть запись с кассеты магнитной пленки.
Магнит и магнитное поле находят широчайшее применение в нашей жизни. Электричество, радио, компьютеры — все это изначально происходит от них. Однако, что такое магнитное поле, пока не знает никто. Держа в руках магнит, помните, что вы держите в руках одну из величайших загадок природы!
Г. и Н. ТУРКИНЫ
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Там, за горизонтом
О возможности дальней оптической связи с отражением от облаков
Радиодиапазон, казалось бы, широк, но и в нем уже стало тесно. Работают радиостанции, телеканалы, сотовые телефоны, связываются друг с другом медики, пожарные, военные, милиция. А между тем есть диапазон электромагнитных волн, в котором места хватит всем. Речь идет о световом диапазоне. Достаточно уловить фотоприемником модулированный сигнал передатчика — связь установлена, один лишь недостаток у светотелефонов: связь возможна лишь в пределах прямой видимости, ведь луч света распространяется по прямой. За горизонт он «свернуть» не может.
Другое дело, если бы можно было поставить цепочкой зеркала-«ретрансляторы»… Впрочем, нужны ли они?
Видели на дороге в гору, как за возвышенностью появляется светлый ореол фар встречного автомобиля? Ни автомобиля, ни фар еще не видно из-за горы, а ореол все ярче и ярче. Это явление называют рассеянием света вперед (forward scattering), и оно совершенно аналогично рассеянию радиоволн на неоднородностях тропосферы, на котором основана дальняя тропосферная радиосвязь на УКВ, уже хорошо известная и неплохо изученная. Мощные передатчики, направленные антенны и чувствительные приемники позволяют перекрывать расстояния в сотни и тысячи километров. Да, потери при распространении сигнала на таких радиотрассах в десятки и сотни тысяч раз больше, чем на обычных, ну так что же? Есть соответствующая аппаратура. Но вернемся к световой связи.
Свет и инфракрасное излучение (ИК) — это электромагнитные волны с длиной 0,4 — 15 микрон. Рассеиваются они значительно лучше, чем радиоволны. Как известно из физики, максимальное рассеяние дают частицы или неоднородности с размерами порядка длины волны. Таких частиц в атмосфере сколько угодно, но все же главными рассеивателями остаются мельчайшие капельки воды.
Лучше всего рассеивают большие скопления тумана — облака, их и нужно использовать в первых экспериментах. Вполне возможно, что потом, по мере накопления экспериментальных данных и совершенствования аппаратуры, удастся получить рассеяние даже при ясном небе.
Что же предлагается? Направить модулированный луч света чуть выше линии видимого горизонта, на облако. При этом значительная часть света будет рассеяна вперед, за горизонт. Корреспонденту нужно направить приемник на то же облако, туда, где происходит рассеяние, и он услышит сигнал!
Схема аппаратуры для односторонней связи показана на рисунке.
Передающая часть содержит лазерный передатчик, оптический сигнал которого модулируется передаваемым сообщением. Оптическая система (телескоп) собирает луч лазера в узкий пучок. Используя газовый гелий-неоновый лазер школьного типа и телескоп с объективом диаметром 50 мм, можно получить пятно диаметром 1 м на расстоянии 10 км!
Приемная часть содержит оптическую систему, фокусирующую принятый рассеянный световой сигнал на фотоприемник. Чем больше диаметр объектива, тем лучше — он соберет больше энергии.
По чувствительности для наших целей наиболее пригодны такие приемники света, как фотоэлектронные умножители и лавинные фотодиоды. Снятый с выхода фотоприемника электрический сигнал фильтруется для устранения шума, усиливается и подается на телефоны или на модем цифровой связи.
Свет в атмосфере распространяется, строго говоря, не прямолинейно. Он подвержен рефракции — искривлению траектории, вызванному уменьшению ее плотности с высотой. Не следует забывать и о миражах, при которых луч порою так искривляется, что порой бывает виден противоположный берег океана. Но эти явления либо слабы, либо редки). Но если оценить дальность связи из простейших геометрических соображений, полагая, что свет распространяется прямолинейно, даже при довольно низкой облачности на высоте 600 м можно получить дальность связи до 180 км, при кучевой и слоистой облачности на высоте 3000 м — до 400 км, а на «серебристых» облаках, состоящих из ледяных кристаллов и располагающихся на высотах 10–12 км, — до 800 км!
Получив столь обнадеживающие результаты по расчету дальности, прикинем энергетику всей линии связи, чтобы убедиться, что связь осуществима.
Для начала возьмем гелий-неоновый газовый лазер учебного типа с излучаемой мощностью 12 мВт в непрерывном режиме, например ЛГ-35, и умеренное расстояние в 100 км. Диаметр апертуры приемного телескопа примем равным 13 см. Расчет дает, что фотоприемника достигнет поток мощностью 3х10-15 Вт. Такой оптический сигнал можно принять фотоумножителем ФЭУ-123 с пороговой чувствительностью 2x10-15 Вт или ФЭУ-147 — 1,5х10-15 Вт, только полосу пропускания усилителя звуковой частоты в приемнике придется сделать шириной не более нескольких герц. Работа при этом будет возможна только очень медленным телеграфом (порядка 10 двоичных знаков в секунду). Но ведь и это уже результат!