Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина

Рис. 25. С электрическим зарядом связаны невидимые и неосязаемые, но реально существующие особые формы материи: вокруг неподвижного заряда всегда существует электрическое поле, а если заряд движется, то вокруг него возникает еще и магнитное поле.

Значит, дело здесь не в молекулах, атомах или других частицах окружающей среды. Значит, вокруг электрического заряда (в данном случае вокруг наэлектризованной гребенки) существует какое-то особое состояние пространства, какая-то особая форма материи, через которую и передается действие электрических сил. Эта особая форма материи, существующая наряду с такой известной нам формой материи, как вещество, и есть электрическое поле.

Науке уже многое известно об электрическом поле. Известно, например, что оно обладает определенной массой и запасом энергии (в нашем опыте эта энергия расходуется на перемещение к гребенке клочков бумаги). Многого об электрическом поле мы еще не знаем, однако факт его существования, подтвержденный многочисленными опытами, не может вызывать никаких сомнений.

Другая особая форма материи, существование которой также подтверждается опытами, — это магнитное поле. Магнитное поле появляется как следствие движения электрических зарядов. В этом легко убедиться, если поднести компас к проводнику, по которому течет постоянный ток (рис. 7). Под действием магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током, стрелка компаса несколько отклонится, так же как она отклонилась бы под действием обычного магнита. Магнитное поле, как и электрическое, обладает запасом энергии (в нашем примере часть этой энергии расходуется на поворот стрелки компаса).

Электрическое и магнитное поля тесно связаны с электрическим зарядом или его движением: уберите заряд — и электрическое поле исчезнет; прекратите ток в цепи — и магнитного поля нет. Но можно получить электрическое и магнитное поля, а точнее, более сложное, электромагнитное поле, не связанное с электрическими зарядами, как бы оторванное от них.

Электромагнитное поле имеет черты как электрического поля (как говорят, имеет электрическую составляющую), так и магнитного поля (магнитная составляющая). Это значит, что электромагнитное поле могло бы при определенных условиях и поворачивать стрелку компаса, подобно магнитному полю, и перемещать электрические заряды, подобно электрическому полю.

Электрическая и магнитная составляющие тесно связаны между собой, и каждая из них обладает запасом энергии, определяющим энергию всего электромагнитного поля.

Электромагнитное поле возникает при любом, даже незначительном изменении тока в проводнике. Изменяясь вместе с током, оно воздействует на соседние участки пространства, передает им свою энергию, и в этих, соседних участках также образуется электромагнитное поле. Таким образом, во все стороны от проводника, со скоростью света — 300 000 км/сек — все дальше и дальше движется волна электромагнитного поля, перенося с собой запасы энергии, которые она получила еще в месте своего возникновения.

Если любое изменение тока в проводнике вызывает появление электромагнитной волны, то что произойдет, если ток в проводнике будет переменным?

Прежде чем отвечать на этот вопрос, давайте несколько дополним наши сведения о переменном токе.

Когда мы говорим, что в цепи протекает переменный ток, то это значит, что направление движения электронов и их скорость все время меняются. Можно упрощенно представить себе картину движения электронов при переменном токе: сначала электроны двигаются медленно, затем скорость их постепенно нарастает и, наконец, достигает максимальной величины. В этот момент ток в цепи становится максимальным, или, как говорят, достигает амплитудного (наибольшего) значения. Затем скорость движения электронов уменьшается, и, наконец, они останавливаются. Однако заряды практически на месте не стоят — они моментально начинают двигаться в обратную сторону и, постепенно ускоряя свое движение, вновь набирают максимальную скорость. В этот момент ток в цепи опять нарастает до своего амплитудного значения (амплитуда тока противоположного направления), а затем вновь уменьшается до нуля. Этим и завершается полный цикл движения зарядов, после чего весь процесс повторяется снова и снова (рис. 26).

Рис. 26. При переменном токе заряды двигаются то в одну, то в другую сторону, но они так же хорошо могут «работать», как и заряды, двигающиеся в одном направлении.

Время, в течение которого происходит весь этот цикл изменений тока, называется периодом и обозначается буквой Т. Одно из направлений переменного тока (безразлично какое) условно называют положительным, а противоположное направление — отрицательным. В связи с этим часто употребляют такие выражения: «положительный полупериод» и «отрицательный полупериод». Имеется в виду половина всего периода, соответствующая положительному или отрицательному направлению тока (лист 49).

Важными характеристиками переменного тока являются его частота и амплитуда. Амплитуда, как и всякое другое значение тока, указывается в амперах (миллиамперах, микроамперах). Частота переменного тока (обозначается буквой f) так же, как и частота звуковых колебаний, — это число периодов в одну секунду, измеряемое в герцах.

Мы уже отмечали, что при всяком изменении тока от проводника отходит электромагнитная волна. Когда же в проводнике протекает переменный ток (давайте такой проводник сразу же назовем передающей антенной), то электромагнитные волны отходят от этого проводника одна за другой, подобно волнам, расходящимся по воде от вращающегося корабельного винта (рис. 28).

Электромагнитные волны, в отличие от магнитных и электрических полей, не связаны со своими источниками: они свободно перемещаются в пространстве и могут проходить огромные расстояния. Наиболее ярким подтверждением этого являются световые лучи (а лучи света по своей физической природе — это те же электромагнитные волны), пришедшие к нам от далеких звезд, многие из которых, может быть, уже давно прекратили свое существование.

Поскольку ток в передающей антенне все время меняет свою величину и направление, то и электромагнитные поля вокруг антенны тоже все время меняются. Рассматривая процесс очень упрощенно, можно представить себе, что в какой-то точке, расположенной вдали от передающей антенны, в различные моменты времени электромагнитное поле с различной силой будет поворачивать стрелку компаса или перемещать электрические заряды (рис. 27).

Рис. 27. Вокруг проводника, по которому течет переменный ток, появляются электромагнитные волны (радиоволны) — переменные электромагнитные поля, свободно перемещающиеся в пространстве со скоростью света.

Если бы удалось на короткое мгновение остановить движение электромагнитных волн, то мы увидели бы периодически чередующиеся районы с сильным электрическим и магнитным полем, причем с полями различного направления. Последнее упрощенно можно понимать так, что если поле одного направления двигает попавшие в него электроны (или поворачивает стрелку компаса) вверх, то поле противоположного направления двигает эти заряды вниз.

В действительности же электромагнитную волну остановить нельзя — порожденные переменным током, взаимно связанные друг с другом электрические и магнитные поля непрерывно расходятся от передающей антенны со скоростью света.

Важной характеристикой электромагнитного излучения, как, впрочем, и всякого волнового процесса, является длина волны (обозначается буквой λ). Весьма просто определить длину волны, которую создает брошенный в воду камень: она будет представлять собой расстояние между двумя соседними гребнями или между двумя впадинами. Подобно этому длина электромагнитной волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, где электромагнитные поля в один и тот же момент времени действуют с наибольшей силой и в одинаковых направлениях (рис. 28).