«Гребенка и компас»

Эти слова взяты в кавычки потому, что весь заголовок позаимствован из другой книги. Книга называется «Что такое радиолокация», а написал ее военный радиоинженер С. А. Бажанов, умевший просто и понятно рассказывать о сложных вещах и прекрасно владевший секретом подбора образов и сравнений. «Гребенка и компас» — это относится к главе, в которой рассказано об электромагнитных полях и волнах. Надо признаться, что сколько ни думай, а лучшего начала для рассказа об этом явлении, по-видимому, не придумаешь. Гребенка и компас — те наглядные пособия, которые позволяют без грубых упрощений подойти к одной из самых сложных тем в радиотехнике — к передаче сообщений с помощью радиоволн.

Вы натерли гребенку шерстяной тряпкой или просто причесали волосы, и она приобрела особое свойство — электрический заряд. В этом легко убедиться, если поднести к наэлектризованной гребенке мелкие клочки бумаги или лоскутки шелка. Однако в результате электризации произошли изменения не только в самой гребенке. Ведь она тянет к себе клочки бумаги с довольно большого расстояния, и значит в этом взаимодействии каким-то образом участвует пространство, среда. Можно сказать, что вблизи наэлектризованного предмета и само пространство как-то изменяется, оно приобретает какие-то особые электрические свойства. Область пространства, где обнаруживаются эти свойства, а проще, где обнаруживается действие электрических сил, называют электрическим полем. Но это только одно из нескольких определений поля и, нужно признаться, весьма формальное.

С чем может быть связано появление вокруг наэлектризованной гребенки электрического поля? Может быть, произошли какие-нибудь изменения в окружающем воздухе — изменилась энергия его молекул, нарушились или, наоборот, укрепились связи между ними, или, может быть, наконец, произошла электризация самих атомов? Вое это, так же, как и другие изменения состояния вещества, не может объяснить появление поля. Если проделать опыт с гребенкой в безвоздушном пространстве, в абсолютном вакууме, то клочки бумаги будут по-прежнему притягиваться к ней. Нет! Вещество, любые его представители — атомы, молекулы, электроны — здесь ни при чем!

Тут наступил момент ввести еще одно более точное определение электрического поля. Оно представляет собой особый вид материи, существующий так же реально, как и вещество, но в отличие от последнего не доступный нашим органам чувств.

Когда неопровержимые опыты показывают, что наряду с веществом действительно существует такая форма материн, как поле, в частности электрическое поле, наш мозг не хочет находить места для этого необычного понятия. Даже люди, выполнившие множество экспериментов с полем, умеющие подсчитать его массу и запасы энергии, как правило, стараются уйти от вопроса: «А как вы себе представляете электрическое поле?» Чаще всего от них можно услышать примерно такой ответ: «А зачем обязательно как-то представлять себе поле? Нужно лишь быть уверенным, что поле не выдумка, что оно реально существует. Ну, а это видно из самых простых опытов». И для подкрепления своих слов наш ученый вырвет из блокнота листок бумаги, изорвет его в мелкие клочки и, наконец, как вы уже, наверно, догадались, извлечет из кармана гребенку. Слово будет предоставлено высшему авторитету — опыту.

Наряду с электрическим существует еще и магнитное поле, о котором мы уже упоминали. Оно возникает вблизи любого движущегося заряда, в том числе и вокруг проводника с током. Магнитное поле также можно обнаружить опытным путем— для этого достаточно поднести компас к проводнику, по которому течет сравнительно сильный (0,5–2 а) постоянный ток. Вблизи проводника с переменным током также существует магнитное поле, но обнаружить его с помощью компаса нельзя. Поскольку меняется ток, меняется и магнитное поле, стрелка компаса не может поспевать за этими изменениями и по инерции… стоит на месте.

Электрические и магнитные поля тесно связаны с зарядом. Уберите заряд, и электрическое поле исчезнет, остановите заряд — и магнитного поля нет. Однако можно получить электрические и магнитные поля «в чистом виде» — ни с чем не связанные и свободно перемещающиеся в пространстве на огромные расстояния.

Начнем с того, что электрическое и магнитное поле — не какие-то разрозненные, не зависящие одно от другого явления. Эти поля, по сути дела, представляют собой две стороны, или, как обычно говорят, две составляющие единого электромагнитного поля. Причем, в определенных условиях эти составляющие могут передавать друг другу свою энергию, поддерживать друг друга и даже (почти как в цирке!) превращаться одна в другую. Вот несколько примеров.

До сих пор мы с вами по возможности старались забыть об электрическом поле, во всяком случае старались не вспоминать о нем без особой надобности. Это позволяло нам очень просто, хотя и не очень точно объяснять многие процессы в электрических цепях. Так, в частности, мы без всякого поля рассмотрели электрическую цепь карманного фонарика и на этом простом примере ввели ряд важных соотношений для тока, мощности, напряжения и т. д. А нужно сказать, что достаточно правдоподобную картину и в этом простом случае можно было получить, лишь вспомнив об электрическом поле и учтя его влияние на ход событий.

Возьмем, к примеру, источник тока — батарейку. Когда мы говорим, что на ее зажимах действует электродвижущая сила, то это значит, что батарейка создает электрическое поле — оно обязательно появляется вблизи скопления зарядов, то есть вблизи электродов. Когда мы говорим, что электроны двигаются от «плюса» к «минусу», то в этом движении главную роль играет поле — ведь не руками же батарея подталкивает электроны, она заставляет их двигаться, воздействуя своим полем!

Да и вообще любое взаимодействие зарядов, например их взаимное отталкивание, осуществляется через поле. Вдоль любой проволочной линии существует электрическое поле, созданное генератором, и именно оно подталкивает на всем пути заряды, поддерживает ток в цепи. Поле затрачивает энергию на создание тока и тут же получает пополнение своих запасов от генератора. А теперь вывод — короткий и очевидный. Электрическое поле поддерживает ток, а ток создает магнитное поле. Следовательно, в этом случае запасы энергии переходят из электрического поля в магнитное.

Другой пример — электромагнитная индукция. Взаимодействие проводника и магнита во всех случаях осуществляется через поля, без каких бы то ни было соприкасаний. Об этом говорит само слово индукция, которое означает «наведение», «передача на расстоянии». Когда мы сами двигаем проводник, то получаем на его концах э. д. с., то есть создаем электрическое поле с помощью магнитного. Когда мы пропускаем через проводник ток, то в результате взаимодействия электрического и магнитного полей получаем механическую работу.

В самом общем виде можно сказать, что явление электромагнитной индукции состоит в следующем: всякое изменение электрического поля влечет за собой появление меняющегося магнитного поля, а всякое изменение магнитного поля приводит к изменению электрического. Не вздумайте, пожалуйста, оставить без внимания слово изменение — в нем вся сущность дела. Это хорошо видно на следующем, третьем примере.

В любом учебнике электротехники можно прочесть, да мы и сами об этом говорили, что ток протекает только в замкнутой цепи. Однако это не совсем точно. За объяснениями вернемся к нашей старой знакомой — батарейке карманного фонаря. Давайте посмотрим, что будет, если к «минусу», где скопилось множество электронов, подключить длинный одиночный провод (рис. 15, а). Совершенно ясно, что в него сразу же хлынет поток электронов, которые в дальнейшем равномерно распределятся по всему проводнику. Он станет своего рода продолжением «минуса», удлиненным лепестком батарейки, вокруг которого естественно будет существовать и электрическое поле. Конечно, если заглянуть в этот проводник через некоторое время после подключения к батарейке, то никакого тока в нем уже не найти. Однако «покопавшись в истории», мы обнаружим, что во время подключения электроны сдвигались от батареи к концу проводника, и в этом же направлении шла волна электрического поля. Вот в этот момент, и только в этот момент, в разомкнутой линии шел ток и вокруг проводника существовало магнитное поле.

Теперь давайте переключим провод с «минуса» на «плюс» (рис. 15, б). Опять на какое-то мгновение появится ток — не только лишние, но и многие собственные электроны проводника потянутся туда, где их не хватает, то есть на «плюс». Вновь на какое-то мгновение появится магнитное и изменится электрическое поле — теперь они создаются током противоположного направления и зарядом противоположного знака. На проводнике уже не избыток, а недостаток электронов, то есть «плюс», а не «минус».

Мы все время подчеркиваем, что процессы в разомкнутой цепи — появление тока, а с ним и магнитного поля, изменение электрического поля — очень кратковременны. Время их существования в основном зависит от того, насколько быстро волна электрического поля, увлекающая за собой свободные заряды, пройдет путь вдоль всего проводника. Поле движется с огромной скоростью — 300 000 километров в секунду, и даже для проводника длиной в несколько километров время существования тока будет исчисляться миллионными долями секунды. И несмотря на это в длинном разомкнутом проводнике можно создать непрерывный, непрекращающийся ток. Для этого нужно подключить проводник к генератору переменной э. д. с. (рис. 15, б).

Напряжение на зажимах такого генератора все время меняется, меняется его величина, меняется и полярность. Иными словами, на том зажиме, где был «+», через некоторое время становится «—», затем опять «+» и т. д. Поэтому вдоль проводника, подключенного к этому зажиму, то в одну то в другую сторону, будет двигаться волна электрического поля, которое будет увлекать за собой электроны, создавать переменный ток, а под действием этого переменного тока вокруг проводника появится переменное магнитное поле.

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).

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.