Рудольф Сворень - Ваш радиоприемник

Допустим, энергия поступила в конденсатор (рис. 26).

Рис. 26

Стремясь к устойчивому состоянию, он разряжается, в цепи идет ток, и в катушке возникает магнитное поле. Ток не прекратится и после полного разряда конденсатора. Теперь уже двигать заряды будет убывающее магнитное поле — как и при всяком изменении магнитного поля, на катушке будет наведена э. д. с. самоиндукции, которая и поддержит ток в цепи. В результате заряды опять будут накапливаться на обкладках конденсатора и он опять окажется в неустойчивом состоянии, опять окажется заряженным, правда, теперь уже в противоположной полярности. Когда магнитное поле исчезнет, все повторится сначала — разряд конденсатора, ток, магнитное поле катушки — и снова перезарядка конденсатора. Таким образом и будет непрерывно происходить обмен энергией между двумя накопителями — конденсатором и катушкой… В результате этого обмена в цепи будет протекать переменный ток и на каждом из ее элементов будет действовать переменное напряжение.

Все это очень напоминает колебания струны — ее упругость можно сравнить с емкостью конденсатора, а массу — с индуктивностью катушки. Обмен же энергией электрического и магнитного поля в точности напоминает обмен потенциальной и кинетической энергией при механических колебаниях.

* * *

ВОЛЬТМЕТР БЕЗ СТРЕЛКИ

Для начала вспомним один эпизод из чаплинского фильма «Малыш». Бедняга Чарли долго терпит издевательства распущенного мальчишки, пытается не обращать на него внимания и даже улыбается. Но вот чаша терпения переполнена. Чарли вспыхивает, и на сорванца обрушивается вполне заслуженное наказание.

Что-то похожее происходит и в двухэлектродной неоновой лампочке (а), когда вы увеличиваете подводимое к ней напряжение. Лампочка «терпит-терпит», но при каком-то определенном напряжении — оно называется напряжением зажигания — «терпению» приходит конец (б), в баллоне начинается интенсивная ионизация газа и лампочка вспыхивает ярким красноватым светом. По этой вспышке и можно определить момент, когда напряжение превысит порог зажигания.

Для распространенных типов неоновых лампочек напряжение зажигания составляет 60–80 в. Подключив такую лампочку к обычному делителю, можно получить простейший вольтметр (в). Он будет сигнализировать о том, что напряжение превысило какую-либо величину. Это полезно для контроля сети, когда приемник питается от автотрансформатора.

Если подключить лампочку к переменному сопротивлению (г) и снабдить его простейшей шкалой, то, отмечая момент зажигания, можно, конечно весьма приближенно, измерять напряжения от 60–70 в до нескольких сот вольт.

Шкалу можно разметить с помощью стрелочного вольтметра постоянного тока. В этом случае при измерении переменных напряжений полученный результат нужно делить на 1,4. Если же проводить градуировку для переменного напряжения (это легко сделать с помощью автотрансформатора), то при измерении постоянных напряжений результат нужно умножать на 1,4.

* * *

Что касается потерь, то в электрической цепи это не что иное, как сопротивление проводников, потери в изоляторе, а также потери на излучение. Чем больше все виды потерь, в частности, чем больше сопротивление контура, тем хуже его добротность, тем быстрее затухают колебания в этом контуре.

Продолжая эту аналогию, нужно отметить синусоидальную, точнее почти синусоидальную, форму тока и напряжения в колебательном контуре, а также зависимость частоты тока и напряжения от параметров цепи. Так, с увеличением емкости и индуктивности частота уменьшается, так как увеличивается время, необходимое для заряда и разряда конденсатора, а также замедляется процесс появления и исчезновения магнитного поля катушки. Отсюда важный практический вывод— если нужно уменьшить частоту собственных колебаний контура, необходимо увеличить его емкость или индуктивность (рис. 26, таблица).

Следующий шаг, который нам предстоит сделать, можно охарактеризовать одним словом — резонанс. Все вы, конечно, знаете, что это такое, и, наверное, даже слышали интересные и страшные рассказы о резонансе. Например, рассказ о том, как обрушился большой мост, когда по нему в ногу шел полк солдат. Подобно огромной натянутой струне, мост медленно и незаметно раскачивался, а бравые солдаты, четко отбивая шаг, помогали ему, раскачивая в такт с его собственными колебаниями и постепенно увеличивая их амплитуду. Известны подобные неприятности и в электрических цепях переменного тока, когда оборудование, рассчитанное на 10 000 вольт, из-за резонанса выходило из строя при напряжениях 1000 и даже 200 в. Именно резонанс, который может быть вредным и опасным, используется для того, чтобы выделить сигнал нужной станции из других сигналов, действующих в антенне приемника.

Давайте включим в контур генератор переменного тока и будем постепенно менять его частоту. Резонанс наступит тогда, когда частота генератора окажется равной частоте собственных электромагнитных колебаний в контуре. При этом генератор будет поддерживать ток, своевременно подталкивать заряды и главное — помогать им в борьбе с потерями. Согласованное действие генератора и контура приведет к резкому увеличению тока и напряжения на резонансной частоте. Это явление может послужить прекрасной основой для осуществления избирательности. Последнее станет совсем понятным, если мы проделаем еще один эксперимент.

На этот раз включим в контур не один генератор, а несколько, ну, скажем, сто, десять или хотя бы три (рис. 27, а), причем все они будут давать переменное напряжение с одной и той же амплитудой, например 1 в. Только частота переменного напряжения генераторов будет разной, и среди всех этих частот будет одна избранная f2, равная частоте собственных колебаний контура. Для начала попробуем включать генераторы по одному и измерять напряжение на конденсаторе или на катушке (его называют напряжением на контуре). Во всех случаях это будет сравнительно небольшое напряжение, что-нибудь около 1 в. И только при включении «избранного» генератора напряжение на контуре резко возрастет — оно может превысить несколько десятков и даже несколько сотен вольт.

Как вы уже, наверное, догадались, это и есть следствие резонанса — совпадения частоты генератора с собственной частотой контура. То же самое произойдет и при одновременном работе всех генераторов — контур выделит из общей массы и резко увеличит напряжение одного из них: именно того, который создает в контуре резонанс. Контур можно смело назвать резонансным фильтром, фильтром, подавляющим все колебания и пропускающим только одну частоту (рис. 27, б, в).

Рис. 27

Иногда в качестве иллюстрации явления резонанса рисуют качели, на которых уселся огромный бегемот, и маленькую девочку, раскачивающую эти качели. Девочка наверняка не знает, что такое резонанс (в детском саду об этом пока не рассказывают), но хорошо использует его. Она раскачивает качели в такт с их собственными колебаниями, и таким образом демонстрирует модель генератора, работающего на резонансной частоте. Эффект получается огромный — качели поднимаются так высоко, что у бедного бегемота, наверное, сердце уходит в пятки, а собравшаяся вокруг публика никак не может понять, откуда у маленькой девочки такая сила.

Способность контура из многих переменных токов выделять только тот, для которого выполняются условия резонанса, можно было бы иллюстрировать известной пословицей: «Свой свояка видит издалека». Однако сказать так о контуре, это значит в известной степени перехвалить его. Оказывается, контур «видит» не только «свояка» и уж во всяком случае не издалека. Для того чтобы это стало понятней, нам придется затронуть очень важный вопрос — посмотреть, как влияет на резонансные явления добротность колебательного контура.

Вы уже вскользь заметили, что при резонансе энергия генератора в основном тратится на преодоление потерь. Чем меньше потери в контуре, то есть, чем выше его добротность, тем сильнее генератор сможет раскачивать заряды, тем больше будет напряжение и ток в контуре во время резонанса (рис. 27, г). Для реальных контуров коэффициент добротности достигает 100, и при этом резонансное напряжение может оказаться в 100 раз больше напряжения генератора.

Но этим не ограничивается значение добротности. Вернемся к первому эксперименту, когда в контур был включен генератор и мы плавно изменяли его частоту. Теперь нам известно, что на определенной частоте, ну, скажем, на частоте 1000 кгц, наступит резонанс и напряжение на контуре резко возрастет. Но где же граница появления резонанса? Ведь частоту мы меняем плавно и прежде чем установить 1000 кгц должны пройти 900, 990 и даже 999. К тому же частота не обязательно должна выражаться целым числом — наш генератор будет давать переменные напряжения, которые только на тысячные доли герца будут отличаться от резонансной частоты. Так неужели же контур забракует все эти колебания и отзовется только на «полюбившиеся» 1000 кгц? Конечно, нет.