Рудольф Сворень - Ваш радиоприемник

Если взять достаточно длинный проводник и достаточно быстро изменяющуюся э. д. с., то перемещение полей, несмотря на их огромную скорость, не будет поспевать за изменением тока. Еще не успеет дойти до конца проводника волна электрического поля, как с генератора уже сходит следующая волна, еще не успело исчезнуть магнитное поле очередного «толчка» тока, как уже появляется следующий «толчок», который в свою очередь сам создает магнитное поле. И вот здесь-то и происходит самое интересное — отталкивание, отбрасывание электрических и магнитных полей от проводника, излучение их в пространство. Как бы обидевшись за грубость, за то, что их подталкивали и подгоняли, электрические и магнитные поля покидают проводник, отрываются от него и начинают свою собственную свободную жизнь. При этом поля тесно связаны одно с другим, поддерживают друг друга, непрерывно обмениваются запасами энергии, захваченными у генератора. Одним словом, в пространство излучается единое электромагнитное поле, которое содержит электрическую и магнитную составляющие. Электромагнитное поле уходит во все стороны от излучающего проводника с уже известной нам скоростью — 300 000 километров в секунду, оно как «гордый Демон, дух изгнанья» не боится преград, не признает расстояний, проносится над лесами и океанами, пронизывает стены домов, уходит в просторы космоса. И только встретив на своем пути проводник… Но прежде чем говорить об этой встрече, еще несколько слов о том, как происходит излучение.

В нашем примере источником излучения служит генератор переменного тока. Поэтому от проводника (давайте его сразу же назовем передающей антенной) электромагнитные поля будут отходить непрерывно, одно за другим… Иными словами, под действием переменного тока передающая антенна будет планомерно, через равные промежутки времени излучать электромагнитные волны. Чем выше частота переменного тока в передающей антенне, тем чаще следуют друг за другом «сгустки» электромагнитного поля, тем меньше расстояние между ними. Расстояние между двумя одинаковыми «сгустками» (то есть созданными током одного направления, например, между ближайшими четными) называется длиной электромагнитной волны (рис. 16).

Рис. 16

Длина волны зависит от частоты переменного тока в передающей антенне — чем больше частота, тем короче волна, любую из этих величин можно подсчитать, если известна другая и, конечно, скорость движения волны.

Теперь легко сообразить, что получится, если на пути электромагнитных волн встретится проводник. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля «схватят» свободные электроны проводника (мы сразу же назовем его приемной антенной) и будут их подталкивать в ту или иную сторону. А поскольку волны продолжают двигаться и поле в районе проводника непрерывно меняется, то будут меняться также скорость и направление движения свободных электронов в проводнике. Иными словами, электромагнитные волны наведут в проводнике переменный ток.

Переменный ток в приемной антенне как по частоте, так и по форме кривой оказывается точной копией переменного тока, который циркулировал в передающей антенне. А вот что касается мощности, то в приемную антенну попадает лишь ничтожная доля излучаемой энергии. Ведь электромагнитные волны просто-напросто разбазаривают энергию, полученную от генератора, растаскивают во все стороны. Да потом на пути встречается множество потребителей — энергию отбирают не только настоящие антенны, но и вообще все проводники, все металлические предметы — крыши, провода, в какой-то степени даже почва и водоемы. Так что сами судите, что может достаться приемной антенне, расположенной на расстоянии сотен и тысяч километров от передающей.

Но как бы там ни было, электромагнитные волны связывают передающую антенну с приемной, образуют беспроволочную линию электрической связи. Кстати говоря, подобные линии существуют уже миллиарды лет. В природе на каждом шагу встречается передача энергии или информации с помощью электромагнитных волн. Возьмите, к примеру, глаз человека или животного. Он представляет собой своеобразный приемник электромагнитных волн, излучаемых всяким освещенным предметом. Вы, конечно, знаете, что свет — это самые обычные электромагнитные волны (с очень малой длиной волны. Излучение их также происходит за счет движения электрических зарядов). Так волны, соответствующие красному или зеленому свету, могут появиться, если в атоме водорода электрон перейдет с одной орбиты на другую. Прием световых волн также сопровождается движением зарядов в масштабах атомов или молекул. Подобные молекулярные приемники света работают и в нашем глазу. Так что напрасно мы дали электромагнитным волнам прозвище «невидимые». Как раз эти волны мы и видим. Правда, не все, а лишь те, которые имеют длину волны примерно от 400 до 800 тысячных долей микрона. Более длинные и более короткие электромагнитные волны наши органы чувств действительно не воспринимают.

Однако мы с вами слитком отвлеклись. Уже давно пора сделать шаг на пути к главной цели — выяснить, как осуществляется радиопередача речи и музыки.

Это делается так

На первый взгляд кажется, что построить беспроволочную линию телефонной связи довольно просто. Нужно включить микрофон в цепь передающей, а телефон (наушник) — в цепь приемной антенны. Во время разговора будет меняться ток в передающей антенне, и она будет излучать радиоволны. Эти волны в свою очередь дойдут до приемной антенны и наведут в ней соответствующий ток, который заставит мембрану колебаться и создавать звук. Как видите, все получится отлично — линия работает. Но это только на первый взгляд. В действительности подобные системы связи практически неосуществимы[1], и по многим причинам.

Вот две из них, пожалуй, самые главные.

Мы уже говорили, что излучение электромагнитных волн происходит потому, что ток в передающей антенне довольно быстро меняется. Поле не успевает за время одного цикла колебаний тока пройти весь путь вдоль проводника и вернуться обратно к генератору. Именно поэтому эффективность излучения зависит от соотношения между частотой тока и длиной антенны. Если частота мала, то есть если ток меняется не очень быстро, то для того, чтобы получить необходимое запаздывание поля, приходится брать очень длинный проводник Слышимый звук имеет сравнительно небольшую частоту — до 20 кгц. Совершенно ясно, что такую же частоту будет иметь и ток в передающей антенне, куда включен микрофон. Для эффективного излучения электромагнитных волн с помощью этого низкочастотного тока нужно строить антенны высотой в несколько километров и даже несколько десятков километров. Стоит ли пояснять, что практически это неприемлемо?

* * *

КИЛОГЕРЦЫ И МЕТРЫ

Представьте себе такую картину. По шоссе быстро едет автоцистерна, и из плохо закрытого крана на землю то и дело падают белые капельки молока. Совершенно ясно, что при равномерном движении автомобиля расстояние между двумя соседними каплями будет зависеть только от того, с какой частотой они падают: чем больше эта частота, тем ближе друг к другу будут «молочные точки» на асфальте.

Эта картинка хорошо иллюстрирует зависимость длины радиоволн от рабочей частоты передатчика. Длина волны — это расстояние между соседними «гребнями», или, что то же самое, расстояние. которое успеет пройти радиоволна за время одного периода высокочастотных колебаний.

Скорость распространения радиоволн всегда одинакова и поэтому λ зависит только от частоты. Чем выше частота, тем меньшее расстояние успеет пройти радиоволна за время одного периода, тем, следовательно, короче длина волны.

Длина волны и частота связаны очень простой зависимостью, и любую из этих величин можно легко вычислить, если известна другая:

В этих формулах постоянное число получено из скорости света и учитывает единицы, в которых выражена частота f и длина волны λ.

* * *

А вот вторая причина. В радиусе действия нашей низкочастотной системы беспроволочной связи другие подобные системы уже работать не смогут. Почему? Да потому, что при одновременной работе нескольких передающих станций каждая из них наведет свой ток в приемной антенне, и телефон будет воспроизводить сразу все программы. Сами понимаете, не позавидуешь человеку, которому придется слушать одновременно десяток разных разговоров или музыкальных передач. Даже сейчас, при очень высоком уровне развития радиотехники трудно предложить реальный способ разделения программ в подобной системе.

И все-таки, об этом знает любой ребенок, передача речи и музыки без проводов с помощью электромагнитных волн — задача решенная. Решение ее основано на использовании токов высокой частоты. Высокая частота — понятие условное. Тут официальных границ никто не устанавливал, хотя обычно к высоким относят все частоты выше 20–25 кгц. Практически для передачи сообщений без проводов используются частоты от нескольких сот килогерц до многих тысяч мегагерц, которые создают электромагнитные волны длиной от нескольких тысяч метров до малых долей сантиметра. Весь этот диапазон электромагнитных колебаний называют радиоволнами и радиочастотами. Совершенно ясно, что более высоким частотам соответствуют более короткие волны.