Шаг за шагом

(Цикл бесед с начинающим радиолюбителем.)

Беседа II. О колебаниях, емкости и самоиндукции

Ближайшая цель наших бесед — изучение действия радиоприемника. Правда, мы находимся в несколько затруднительном положении: мы еще мало знакомы с электричеством.

Но тут нам на помощь придут некоторые примеры из нашей повседневной жизни, некоторые опыты, которые мы с вами сейчас же произведем.

Колебания маятника

Шаг за шагомПодвесьте на нитке небольшой грузик (рис. 1). Этот несложный прибор, который вы таким образом приготовили, называется маятником. Им стоит подзаняться, его свойства очень любопытны, они многое уяснят нам.

Дадим толчок такому маятнику: маятник начнет колебаться; он будет отклоняться то в одну, то в другую сторону; постепенно его размахи будут становиться все уже, пока он не остановится. Колебания маятника затухают, он совершает затухающие колебания. Наибольшее расстояние, на которое маятник удаляется от своего вертикального положения при каждом отклонении, называется амплитудой. Время, в течение которого маятник совершает одно полное колебание, т.е. время, которое он тратит на то, чтобы отклониться от вертикального положения ОА вправо (до положения ОВ), затем обратно отклониться влево до положения ОС и вновь вернуться в первоначальное положение ОА, называется периодом. Число полных колебаний, которое совершает маятник в течение одной секунды, называется частотой.

Обратим внимание на то, что наш маятник колеблется совершенно равномерно. Частота его колебаний все время не меняется; периоды всех его колебаний одинаковы по своей продолжительности.

Отчего же зависит частота колебаний маятника? Нетрудно убедиться, что если мы укоротим нить, маятник станет колебаться быстрее. Наоборот, чем более длинную нить мы возьмем, тем меньше будет частота колебаний маятника.

Итак, из нашего опыта мы выводим следующее заключение: маятник, получавший толчок, приходит в колебательное движение; амплитуды (размахи) его колебаний постепенно уменьшаются, частота же колебаний все время остается неизменной и зависит только от длины маятника.

Можно устроить так, чтобы колебания маятника были незатухающими. Для этого нужно сообщать маятнику равномерные толчки в такт с его колебаниями. Такие незатухающие колебания (с одинаковыми амплитудами) совершает часовой маятник.

Как видно, колебания разных маятников бывают различны: они могут отличаться по своей частоте, могут быть затухающими, незатухающими и т.д.

Шаг за шагомМожно вычертить на бумаге кривую линию, которая даст представление о том, каким образом происходят колебания маятника. На рис. 2 изображено устройство, в котором маятник сам вырисовывает кривую своих колебаний.

К нижнему концу маятника прикреплен карандаш, который касается помещенной под ним полосы бумаги. При вращении рукоятки полоса бумаги передвигается в направлении, перпендикуляром (поперечном) к тому направлению, в котором колеблется маятник. Когда маятник спокойно висит в вертикальном положении, карандаш находится на прямой линии АВ, заранее начерченной на бумаге. Вращать рукоятку надо равномерно. Когда маятник придет в колебательное движение, карандаш вычертит на бумаге кривую своих колебаний. На рис. 3 показаны кривые, изображающие колебания разных маятников. Рассматривая кривую А, мы видим, что она проходит то над прямой (что соответствует отклонению маятника в одну сторону), то под прямой (что соответствует отклонению маятника в другую сторону); прямые Kk, Ll, Mm и т. д. показывают, на какое наибольшее расстояние отклонялся маятник при своих колебаниях, — следовательно, они изображают амплитуды. Постепенное уменьшение этих амплитуд (кривая все больше приближается к прямой) указывает на то, что колебания маятника были затухающими. Отрезки ас, се, eg и т. д. условно изображают время одного полного колебания (период); из того, что они совершенно одинаковы по длине,можно заключить,что наш маятник колебался равномерно, с постоянной частотой.

Шаг за шагом

Рис. 3. Кривые колебаний разных маятников: А — затухающие колебания; В — незатухающие колебания той же частоты; кривая С изображает затухающие колебания частоты вдвое большей, чем в случае А и В.


Кривая В изображает незатухающие колебания маятника: здесь все амплитуды одинаковы.

Оба маятника колебались с одинаковой частотой, на что указывает одинаковость их периодов (отрезки ас, се, еg одинаковы с отрезками а1с1, с1е1, е1g1 и пр.). Очевидно, оба маятника были одинаковой длины.

Кривая С изображает тоже затухающие колебания, но частота их вдвое больше частоты предыдущих маятников. (Подумайте, откуда это видно?)

Шаг за шагомОписанные колебания маятника имеют много сходного с теми колебаниями электронов, которые (как мы это подробнее узнаем дальше) возникают в так называемом колебательном контуре (рис. 4). Частота колебаний электронов в таком контуре зависит от самоиндукции катушки L и емкости конденсатора C.

Вот мы натолкнулись на несколько непонятных слов. Чтобы понять их смысл, нам придется совершить небольшое путешестие в страну электронов.

Емкость.

Мы знаем, что в каждом теле электроны имеются в громадном количестве. Если мы будем натирать стеклянную палочку кожей, то при этом как палочка, так и кожа наэлектризуются: на палочке окажется некоторый недостаток электронов, а на коже некоторый избыток. О таких телах говорят, что они заряжены электричеством, или, что они обладают электрическими зарядами. То тело, на котором оказался избыток электронов, называется отрицательно заряженным, а тело, у которого имеется некоторый недостаток электронов, называется положительно заряженным. На наших рисунках будем обозначать отрицательный заряд знаком (—), а положительный знаком (+).

Шаг за шагомЕсли мы прикоснемся отрицательно заряженным телом к металлической изолированной пластинке, то часть электронов перейдет от заряженного тела на эту пластинку и последняя тоже окажется заряженной отрицательно. Точно таким же образом пластинка может получить положительный заряд, если к ней прикоснуться положительно заряженным телом. Каждая из таких пластин порознь не может вместить на себе большого заряда: мы не можем создать на них большого избытка или недостатка электронов. Но если по возможности сблизить обе пластинки так, чтобы их отделял только тонкий слой изоляции (воздуха, стекла и т. п.), то пластинкам можно сообщить гораздо больший заряд, чем в том случае, когда они были удалены друг от друга. Прибор, состоящий из таких 2-х пластин отделенных слоем изолятора, называется конденсатором (такой конденсатор с бумажной прослойкой вы делали в вашем первом приемнике). Обе металлические пластинки называются обкладками конденсатора. Чем больше поверхность обкладок, и чем ближе они расположены одна к другой, тем больше их способность вмещать электрические заряды или, как говорят, тем больше емкость конденсатора. Кроме того, емкость конденсатора зависит еще от того вещества, которое проложено между обкладками. В радиотехнике часто приходится применять конденсаторы, емкость которых можно изменять. Такой конденсатор изображен на рис. 5. При поворачивании рукоятки, одна часть пластин конденсатора удаляется или приближается к другой, вследствие чего плавно меняется емкость конденсатора.

Соединим обе обкладки конденсатора: избыток электронов с отрицательно заряженной обкладки перейдет на положительную. Количество электронов на обкладках опять станет нормальным, — конденсатор разрядится.

Таким образом, мы уже знаем, что такое емкость. Теперь уясним себе, что такое — самоиндукция.

Магнитное поле тока

Шаг за шагомПриближая к проволоке, по которой проходит электрический ток, компас, мы заметим что стрелка повернется и станет поперек проволоки. Очевидно, в пространстве вокруг проволоки, по которой течет ток, существуют магнитные силы, которые действуют на нашу стрелку. Пространство, где эти силы действуют, называется магнитным полем. Мы на наших рисунках будем изображать магнитное поле при помощи линий, направление которых условно показывает, в каком направлении действуют эти силы. Эти линии носят название силовых магнитных линий. Направлением силовой линии называется то направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данном месте поля. Исследуя с помощью магнитной стрелки поле вокруг провода, по которому течет ток, мы пришли бы к заключению, что силовые линии вокруг такого провода имеют форму окружностей, как показано на рис.6. Когда по проводу ток изменит направление своего течения, то и силовые линии изменят свое направление. По одному из проводов, изображенных на рис. 6, ток течет снизу вверх, а по другому сверху вниз; в соответствии с этим и направление силовых линий вокруг этих проводов (как показывают стрелки) различно.

Чем больше электронов протекает каждую секунду через сечение провода, или, как говорят, чем больше сила тока протекающего по проводу, тем сильнее магнитное поле вокруг него и тем на большем расстоянии от него оно чувствуется.

Когда про проводу проходит переменный ток, то при каждой перемене направления тока изменяется и направление силовых линий. Но нужно принять во внимание, что переменный ток меняется не резко, а постепенно. Вначале сила тока постепенно возрастает в одном направлении, достигает некоторой наибольшей величины (амплитуды), затем постепенно уменьшается, пока ток не прекратится; но вслед затем ток начинает снова возрастать, но уже в обратном направлении, достигает вновь той же наибольшей величины и опять уменьшается с тем, чтобы снова начать возрастать в первоначальном направлении и т. д. Эти изменения переменного тока могут быть изображены такой же кривой, как в незатухающие колебания маятника (рис. 7). Прохождению кривой над прямой АВ соответствует движение тока в одном направлении, а прохождению кривой под прямой соответствует движение тока в обратном направлении. Отрезки Кk, Ll, Mm изображают амплитуды тока; они остаются неизменными. Отрезки Ab и bd одинаковы по длине, что указывает на неизменность периода (частоты) переменного тока.

Шаг за шагом


Магнитное поле вокруг провода, по которому течет переменный ток, претерпевает такие же постепенные изменения. Мы себе представляем, что пока ток возрастает, все новые силовые линии как бы выходят из провода, все ширятся и раздвигаются вокруг него, а с уменьшением тока они, стягиваясь, как бы возвращаются к нему обратно. Вслед за тем, когда ток начинает возрастать в обратном направлении, с силовыми линиями повторится то же самое, но их направление будет обратное. Таким образом, поле будет меняться с той же частотой, что и переменный ток в проводе.

Индукция

Если рядом с проводом, по которому течет переменный ток, поместить другой провод (в котором тока нет), то силовые линии, то раздвигающиеся, то вновь возвращающиеся при этом к первому проводу, будут в своем движении пересекать второй провод то в одном, то в другом направлении.

Между тем электротехника учит нас тому, что, когда силовые линии пересекают какой-нибудь проводник, то в последнем возникает, так называемая, электродвижущая сила, под влиянием которой электроны могут придти в движение. Следовательно, и в нашем случае во втором проводе возникает электродвижущая сила. Это явление носит название индукции. Направление этой индуктированной во втором проводе электродвижущей силы зависит от направления силовых линий и от того, в каком направлении они двигались, пересекая второй провод. Если рядом с проводом, по которому течет переменный ток, поместить замкнутый проволочный виток, то индуктированная в витке переменная электродвижущая сила вызовет в нем переменный ток той же частоты, что и частота тока в проводе, несмотря на то, что провод и виток не соединены друг с другом.

Шаг за шагом

Рис. 8. Магнитные силовые линии образующиеся вокруг катушки А, при прохождении через нее переменного тока, пересекают витки катушки В и вызывают в ней электродвижущую силу. Стрелка условно указывает, что связь между катушками А и В может изменяется.


Если поместить рядом две проволочные катушки (рис. 8) и пропустить по катушке А переменный ток, то ясно, что в катушке В возникнет индуктированная электродвижущая сила, но в этом случае явление индукции скажется гораздо сильнее, чем в предыдущем случае. О таких двух катушках говорят, что они находятся в индуктивной связи. Чем ближе расположены катушки, тем сильнее связь между ними. Связь можно изменять также поворачивая одну катушку по отношению к другой.

Индукции не будет, если в катушке А течет постоянный ток, ибо в этом случае силовые линии не пересекают катушки В: они остаются неподвижными все время, пока течет ток.

Самоиндукция

Когда через катушку проходит переменный ток, то силовые линии в своем движении пересекают и витки своей же катушки. Поэтому в этой же катушке тоже появится электродвижущая сила. Она носит название электродвижущей силы самоиндукции. Эта электродвижущая сила в каждый момент направлена таким образом, что при возрастании тока в катушке она стремится его уменьшить, а при уменьшении тока — стремится его увеличить. Если мы возьмем две разных катушки и через них пропустим одинаковый переменный ток, то говорят, что та катушка, в которой появляется большая эл. сила самоинд., обладает большим коэффициентом самоиндукции, или просто — большей самоиндукцией. Чем больше число витков катушки и чем больше размеры каждого витка, тем больше самоиндукция катушки.

Шаг за шагом

Рис. 9. Вариометр — катушка с плавно меняющейся самоиндукцией.


В радиотехнике часто приходится изменять самоиндукцию катушек; для этого они устраиваются таким образом, что получается возможность помощью переключателя включать то или иное число витков (См. напр., катушку на рис. стр. 44). Но в этом случае самоиндукция меняется скачками. Для плавного же изменения самоиндукции катушка часто устраивается из двух частей, из которых одна может перемещаться, напр. поворачиваться внутри другой (рис. 9). Когда обе катушки расположены так, что витки у них направлены одинаково, то самоиндукция получается наибольшей. При поворачивании одной из катушек самоиндукция постепенно уменьшается и становится наименьшей, когда витки в обеих катушках имеют противоположное направление. Таким образом устроенная катушка называется вариометром.

Вот что нам нужно знать для того, чтобы в следующих беседах приступить к изучению радиоприема.

Совещание

Имя:*
E-Mail:
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Вопрос:
Составьте правильно слово из букв: с т р о и т е л ь с т в о р а д и о
Ответ:*