Велики теоретици и велики практици, или историята за това как е създадено радиото
Искровият генератор на електромагнитни волта на Хайнрих Херц
През 1886-1889 г.Хайнрих Херцпостроява искров генератор на електромагнитни вълни и изследва свойствата им. Устройството на искровия генератор заслужава по-подробно описание.
Неговата основа е осцилаторна верига. Но трептенията в реална верига бързо затихват и за да се поддържа поредица от трептения, е необходимо кондензаторът да се зарежда отново и отново и да се превключва от източника на напрежение към намотката.
Този високоскоростен ключ е искрова междина между две метални топки. Искрата се произвежда от индукционна намотка или намотка на Ruhmkorff.
Токът на батерията, преминавайки през първичната намотка на индукционната намотка, магнетизира нейната желязна сърцевина, която привлича подвижния контакт и веригата се прекъсва. Магнитното поле изчезва и контактът отново се затваря. Честотата на прекъсванията на тока е малка и възлиза на 102,103 пъти в секунда. Но най-интересното се случва в момента на отваряне на веригата.
В намотките на индукционната намотка възниква ЕМП на самоиндукция, която е пропорционална на скоростта на промяна на магнитния поток. Тази скорост е много висока, тъй като контактите се отварят почти моментално. В резултат на това в момента на отваряне на клемите на първичната намотка възниква импулс на напрежение, няколко десетки пъти по-висок от напрежението на батерията!
Например, ако напрежението на батерията е 12Vне е трудно да се получи импулс на напрежение от 300,400 V. Вторичната намотка съдържа много повече навивки, а импулсът на напрежението на нейните клеми може да достигне няколко хиляди волта или дори десетки киловолта. Кондензаторът на веригата също се зарежда до същото напрежение.
Искровата междина се регулира така, че да прекъсва при напрежение, близко до максималното, развивано от индукционната намотка. Плъзгащата се искра затваря веригата на осцилаторната LC верига и в нея възниква серия от затихнали трептения.
И така, индукционната бобина направи възможно възбуждането на серия от затихнали високочестотни трептения. Но как да ги излъчим в космоса под формата на вълни?
Хайнрих Херц вярва, както следва от уравненията на Максуел, че колкото по-бързо се променят електрическите и магнитните полета, толкова по-ефективно се излъчват вълните. В стремежа си да увеличи честотата на трептене на веригата, Херц остави само един оборот в бобината на веригата и намали площта на кондензаторните плочи до границата. Резултатът е вибратор, състоящ се от два пръта с искрова междина между тях.
Оказа се, че вибраторът Hertz ефективно излъчва вълни с дължина, равна на два пъти дължината на вибратора. Сега знаем, че вибраторът на Hertz е обикновен полувълнов дипол. Погледнете който и да е покрив и ще видите телевизионни антени, които са система от диполи.
Приемникът на трептенията беше друг дипол с много близко разположени топчета на искрова междина. Когато искра прескочи в предавателния дипол, може да се наблюдава малка искра и в приемащия дипол! По този начин е експериментално извършено предаване на електромагнитни вълни от радиообхвата на разстояние от няколко метра. Оказа се, че приемането е най-ефективно, когато приемащият вибратор е настроен в резонанс с предаващия. Дължини на вибратора притова са същите.
Експериментите на Херц, проведени през 1887-1888 г., предизвикаха голям интерес сред физици и инженери. Мнозина започнаха да ги повтарят, модифицират и подобряват.Стр. Н. Лебедев, забележителен български физик, открил по-специално налягането на светлината, конструира вибратор за дължина на вълната до три сантиметра (в експериментите на Херц дължината на вълната е около три метра).
Те бяха много малки вибратори! Изследвани са явленията на отражение и пречупване на електромагнитни вълни на границата между различни среди. Наблюдавахме отразяване на вълни от метален лист, пречупване на вълни от призма, изработена от диелектрик.
Значително по-мощни електромагнитни трептения, но с по-ниска честота, позволиха да се получи трансформатор на Никола Тесла, чиято вторична намотка беше настроена в резонанс с първичната. Тъй като във вторичната намотка нямаше кондензатор, броят на завъртанията беше много по-голям, отколкото в първичната, което осигуряваше напрежение на вибратора до милион волта!
Приемник на електромагнитни вълни от Александър Степанович Попов
И накрая, в нашата история се доближихме до момента на изобретяването на радиото. Разбира се, знаете кой го е направил. Наш сънародник, учител по физика в минните офицерски класове в КронщатАлександър Степанович Попов.
Той успя да проектира приемник на електромагнитни вълни, който има достатъчна чувствителност за практически цели. Спомнете си приемния вибратор Hertz. За да може една искра да прескочи през искрова междина, е необходимо електромагнитна вълна да развие в нея напрежение от няколкостотин волта. А това означава, че силата на полето на електромагнитната вълна също трябва да бъде около стотици волта на метър (в края на краищата дължината на вибратора беше близо 1 m).
Напрежение ввибратор, много е лесно да се изчисли: трябва да умножите силата на електрическото поле на вълната по ефективната (действаща) дължина на вибратора. Обикновено тя е приблизително 0,7 от геометричната дължина на вибратора. Такива силни полета се създават само от близки мълниеносни разряди.
Веднъж бавно изключвах антената от моя любителски предавател, любувайки се на красив гръмотевичен облак през прозореца. В облака блесна мълния и в същия момент между антената и заземяващите проводници, които бяха в ръцете ми, със сухо пращене прескочи синкава искра с дължина няколко сантиметра! Добре че изводите бяха с дебела изолация.
С треперещи ръце все пак свързах тези заключения, заземих антената и започнах да си спомням. V. Richman , сътрудникM. В. Ломоносов, който загина по време на гръмотевична буря по време на експерименти с метален прът на покрива (по-късно този прът, само заземен, беше наречен гръмоотвод). Оттогава винаги изключвам антената доста преди наближаването на гръмотевична буря, въпреки че всичките ми конструкции на антени имат надеждна мълниезащита.
Но обратно към приемника на А. С. Попов. Вместо искрова междина в приемния вибратор Попов използва кохерер, устройство, изобретено не много преди това от французина Е. Бранли.
Кохерерът беше стъклена тръба с два проводника, между които бяха изсипани железни стружки. Поради най-тънкия слой оксид върху повърхността на стърготините съпротивлението на кохерера е високо, но само докато на клемите му няма напрежение, независимо дали е AC или DC.
Веднага щом се приложи напрежение, индуцирано от електромагнитна вълна, съпротивлението на кохерера пада рязко. Това се дължи на действието на най-малките искри, които пробиват оксидния слой между дървените стърготини и, така да се каже, заваряват дървените стърготини заедно. Да унищожиобразувани мостове за електрически ток, това беше достатъчно, за да разклати кохерера.
Трептенията, предизвикани от получената вълна в приемащия вибратор, се подават към кохерера. Следващият важен елемент от приемника на А. С. Попов е DC релеен усилвател. Сравнително слаб ток през кохерера задейства чувствително реле, чиито контакти затварят веригата на електрическия звънец. Устройството на звънеца беше в много отношения подобно на устройствотобобина на Ruhmkorff, само вторичната намотка липсваше.
Чукът на камбаната в приемника на Попов удари не само камбаната, но, отскачайки, удари и кохерера. По този начин кохерерът автоматично се разклаща след получаване на всеки електромагнитен импулс и е готов да получи следващия.
Друго важно подобрение в приемника на Попов е използването на приемна антена. В края на краищата, колкото по-дълъг е проводникът на антената, толкова повече напрежение индуцира електромагнитната вълна в него.
Телена антена, опъната до най-близкото дърво или до покрива на къща, е, така да се каже, половината от херцианския вибратор. Но имате нужда и от втора полу-противотежест. Ролята на противотежестта се изпълнява успешно чрез заземяване. Токове, които би трябвало да протичат в противоположност, могат просто да се разпространят по повърхността и в дебелината на земята, защото обикновената, доста влажна почва провежда добре електричество.
Най-накрая приемникът беше готов. Но още нямаше предавател! Могат да се приемат само радиосигнали от естествен произход. Те се генерират при всеки разряд на мълния, тъй като мълнията е гигантска искра, а каналът на йонизирания газ, образуван по време на разряда, перфектно провежда електрически ток и служи като предаващ вибратор.
А. С. Попов нарече приемника си детектор на мълния. Със свързан външенАнтената успя да регистрира гръмотевични бури на разстояние до 30 км. Всеки удар на мълния беше придружен от кратко чукане на звънец в слушалката!
А. С. Попов демонстрира това устройство на 7 май 1895 г. на заседание на Българското физико-химическо дружество. От 1945 г. всяка година7 май се чества като рожден ден на радиото.
Автор на материала: В. Т. Поляков (от книгата "Посвещение на радиоелектрониката")