«Радио на службе у человека»

Радио на службе у человека (fb2) - Радио на службе у человека 839K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Николай Николаевич Малов

Проф. Н. Н. Малов РАДИО НА СЛУЖБЕ У ЧЕЛОВЕКА

ВВЕДЕНИЕ

«Говорит Москва, говорит Москва! Работают радиостанции на волнах 1293 метра, 360 метров и 25 метров».

Эти слова звучат в громкоговорителях во всех уголках нашей Родины, к этим словам прислушиваются друзья Советского Союза далеко за его пределами.

Что же представляют собой эти волны, разносящие по всему миру слова, произносимые в столице нашей родины — Москве. Кому обязано человечество изобретением замечательного средства связи без проволок — радиосвязи? Какие ещё применения имеет радио в различных отраслях человеческой деятельности?

Радио было изобретено замечательным русским учёным Александром Степановичем Поповым (рис. 1) пятьдесят два года назад — в 1895 r.

Ещё до Попова были изобретены телеграф и телефон, с помощью которого можно было вести разговор на большие расстояния. Но этот разговор передавался по проволоке, которая соединяла переговорные станции между собой.

При телеграфировании по проволоке передаются короткие и длинные электрические сигналы. Различные комбинации этих сигналов обозначают различные буквы (такую условную азбуку придумал американский учёный Морзе). Аппарат, который принимает телеграмму, записывает на бумажной ленте длинные сигналы — чёрточками и короткие — точками (например, слово «радио» по азбуке Морзе записывается так, как показано на рис. 2).

При телефонировании электрические сигналы позволяют передать по проводам человеческую речь; два человека могут разговаривать по телефону друг с другом, находясь в разных городах.

Рис. 1. Александр Степанович Попов (родился в 1859 г., умер в 1906 r.).

В 1887 r. немецкий физик Герц открыл, что существуют особые электромагнитные волны (о них будет рассказано подробнее в книжке).

И вот Попов изобрёл такой аппарат, который, как в телеграфе, передавал на расстояние короткие и длинные электрические сигналы азбуки Морзе, но уже без проводов, а с помощью электромагнитных волн, распространяющихся B пространстве с огромной скоростью. Это был радиотелеграф.

Через 10–15 лет после смерти Попова (он умер в 1906 г.) радиоволны были применены для передачи без проволок уже не условных сигналов, а речи и музыки (радиотелефон). А ещё через 10 лет были сделаны первые удачные попытки передавать на расстояние изображения предметов (телевидение).

Рис. 2. Так записывается по азбуке Морзе слово «радио».

В настоящее время радиоволны используются очень широко. Они применяются для управления различными механизмами на расстоянии (телемеханика), для указания правильного пути самолётам и кораблям (радионавигация), при поисках в земле полезных ископаемых. В последние годы радиоволны стали применять для лечения различных заболеваний, для обработки пищевых продуктов. B годы Отечественной войны радиоволны помогали обнаруживать самолёты врага на очень большом расстоянии и точно определять их местоположение (радиолокация). Это облегчало борьбу с воздушными бандитами, стремившимися разрушать мирные города.

Об этих и многих других применениях радио, одного из самых замечательных изобретений, сделанных человеком, и рассказывается в настоящей небольшой книжке.

Электромагнитные волны, которые используются в радио, человек не может воспринимать своими органами чувств (глазом, ухом и т. д.). Эти волны создаются в специальных аппаратах — радиопередатчиках (радиостанциях) и воспринимаются сложными приборами — радиоприёмниками, в которых либо вырабатывается звук, либо получается изображение. А полученные звуки и изображения уже можно слышать и видеть.

Но чтобы хорошо разобраться в том, что такое радиоволны и как происходит радиопередача, нужно сначала познакомиться с более простыми волнами и их свойствами. Об этом будет рассказано в начале книжки.

I. КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ И ВОЛНЫ

1. КАК ДВИЖУТСЯ КАЧЕЛИ

Посмотрите внимательно, как движется человек, качающийся на качелях, или как качается маятник часов — «ходиков».

Вы увидите, что и человек, и маятник размеренно (или, как говорят, ритмично) движутся взад и вперёд; они много раз повторяют свои движения. Такое движение называется колебательным.

Попробуйте теперь заметить, через какое время проходит колеблющееся тело каждый раз через одно и то же место, например, через сколько секунд качели будут находиться каждый раз в одном из крайних верхних положений. Если верёвки качелей будут длиной около четырёх метров, то качели будут возвращаться в это положение каждый раз через четыре секунды. Иными словами, одно полное колебание качелей (взад и вперёд) будет совершаться за четыре секунды. Это время называют периодом колебаний.

Удлините верёвки качелей: тогда качели будут колебаться уже медленнее, каждое полное колебание будет совершаться, например, в пять или шесть секунд.

Если не поддерживать движения качелей, они очень быстро остановятся. Дело в том, что движению качелей препятствуют воздух и трение канатов о крюки, на которых подвешены качели. Поэтому, качаясь на качелях, человек должен раскачиваться. Чтобы часы не останавливались, маятник «ходиков» также приходится подтал — кивать; это подталкивание происходит при постепенном опускании гирь «ходиков».

Таким образом, чтобы колебательное (как и всякое другое) движение происходило достаточно долго, его нужно поддерживать, подталкивая движущееся тело и тем самым не давая ему остановиться.

2. ВОЛНЫ

Колебания качелей и маятника — это колебания одного единственного тела. А что произойдёт, если вы, имея целый ряд тел, как-то связанных друг с другом и способных колебаться, приведёте в колебание одно из этих тел? Естественно ожидать, что в этом случае колебание, сообщённое одному телу, будет постепенно передаваться соседним телам.

В действительности так и происходит.

Бросьте в спокойную воду камешек. Вокруг места падения камня тотчас же образуются круговые волны, расходящиеся по воде. Если присмотреться к ним, то легко заметить, что каждая волна состоит из горба и расположенной рядом впадины.

Волны образуются потому, что брошенный камень вызывает колебание частичек воды. Эти частички воды передают своё колебание дальше, и таким образом круговая волна расходится по воде.

Рис. 3. Круговые волны на поверхности воды.

Такие же круговые волны, созданные выпрыгнувшей из воды рыбой, видны на рисунке 3.

Попробуйте капать в одно и то же место на воде. На поверхности воды также будет хорошо заметна целая группа расходящихся круговых волн.

А вот другой пример. Возьмите длинный резиновый шнур и привяжите один конец его к гвоздю, вбитому в стену. другой конец шнура возьмите в руку.

После этого натяните шнур и, держа руку неподвижно, сделайте кистью руки движение вверх и вниз. Конец шнура приподнимется и опустится; сразу же это движение будет передаваться соседним участкам шнура: они также начнут двигаться, но с запозданием. В результате на шнуре образуется горб, который будет перемещаться вдоль шнура, — как говорят, в шнуре создаётся и распространяется «возмущение». На рис. 4,а показана форма шнура сразу после прекращения движения руки, а на рис. 4,б — положение горба, получающееся несколько позже.

Рис. 4. Распространение «возмущения» в шнуре.

Если размеренно ритмично двигать свободный конец шнура вверх и вниз, то движение этого конца так же ритмично будет передаваться остальным участкам шнура. По шнуру будет распространяться волна: на нём можно заметить «горбы» и «впадины», т. е. те его участки, которые в данный момент наиболее отклонены вверх или вниз. Если вы проследите за одним из горбов, то можете заметить, что он движется вдоль шнура с определённой скоростью, зависящей от свойств шкура.

На рис. 4,в изображена форма, принимаемая шнуром через четверть периода от начала движения кисти руки (вначале кисть руки двигалась вверх), а на рис. 4,г — форма, принимаемая шнуром ещё через один период движения кисти руки. Вспомните, что период — это время, за которое совершается полное колебание.

Важно отметить, что при распространении волны по шнуру или по воде отдельные места шнура и частички воды не движутся вместе с волной, а только колеблются на своих местах, поднимаясь вверх и вниз. Это легко увидеть, если на воду положить кусочки пробки или дерева: при прохождении волны они будут «танцевать» вверх и вниз, но почти не будут перемещаться вместе с волной.

Таким образом, образование волн происходит благодаря постепенной передаче движения от одних частичек к другим; сами же колеблющиеся частички вместе с волной не перемещаются.

Расстояние между соседними горбами, показывающее, насколько отстаёт одно колебание от другого или на какое расстояние уходит волна за время одного периода колебаний, называют длиной волны (длина волны, распространяющейся в шнуре, отмечена на рис. 4,г).

Нетрудно сообразить, что длина волны тем больше, чем длиннее период и чем быстрее распространяется волна. Длина волны равна периоду колебаний, умноженному на скорость распространения волны. Так, при периоде, равном 1⁄10 секунды, и скорости распространения волны, составляющей 200 сантиметров в секунду, её длина составит 20 сантиметров; если колебания будут происходить вдвое реже, то длина волны увеличится вдвое, т. е. составит 40 сантиметров, и т. д.

3. РОЖДЕНИЕ ЗВУКА

Волны, распространяющиеся по воде или по шнуру, называются механическими. Такие волны могут возникать во всех так называемых упругих телах.

Упругими телами называются такие, которые стремятся противодействовать изменению их формы. Начните изгибать поперечную пилу; вам удастся это сделать, затратив небольшое усилие. Но как только нажим на пилу прекратится, она сейчас же выпрямится и будет качаться. Вот это свойство и есть упругость.

Не все тела упруги. Песок, глина, воск не обладают упругостью; в них колебания возникать не могут, так как их частицы не возвращаются в начальное положение, если их сдвинуть. Глине, например, легко придать любую форму; она не стремится возвратиться в начальное положение.

Воздух также обладает упругостью. В этом легко убедиться. Попробуйте сжать руками велосипедную шину, накачанную воздухом. Вам это не удастся. Воздух, сжимаясь, развивает упругое противодействие и препятствует дальнейшему сжатию. Поэтому возможно распространение механических волн и в воздухе. Так, если ударить по металлическому листу или по поперечной пиле, поставленным на ребро, они начнут дрожать. При дрожании воздух, окружающий лист, получает от листа толчки, сжимается. Это сжатие передаётся всё дальше и дальше, подобно горбу, бегущему по воде, когда в ней создаются волны. На воде за горбом следует впадина; также и в воздухе — за сжатыми слоями получаются слои, в которых воздух, наоборот, разрежен. Сжатия и разрежения, распространяющиеся в воздухе, образуют звуковую волну. Рождается звук.

Звуковая волна может возникать при дрожаниях всякого тела. Колокольчик, стальная рельса, чугунная доска действуют таким же образом: если по ним ударить, они также начинают дрожать и вызывают образование волн в воздухе. Их дрожание может происходить так быстро и быть таким мелким, что, глядя на эти тела, не скажешь, что они дрожат. Но доказательством дрожания является звук, который слышит наше ухо.

Дело в том, что сжатие и разрежение воздуха, если период их колебаний составляет не менее 1⁄20000, и не более 1⁄20 секунды, действуют на ухо человека.

Так как скорость распространения звука в воздухе составляет около 330 метров в секунду, то длины звуковых волн, воспринимаемых человеческим ухом, лежат между 1,6 сантиметра и 16 метрами. Более длинные и более короткие волны в воздухе также легко могут быть получены, но ухо их не воспринимает.

Человеческий разговор и музыка вызывают в воздухе звуковые волны с длинами от 10 сантиметров до 350 сантиметров. Длинные волны соответствуют низким тонам (басовые ноты), более короткие — высоким тонам (теноровые ноты).

4. ЧТО ТАКОЕ ЭХО

Как волна на поверхности воды, так и звуковая волна в воздухе распространяются во все стороны. Но как только они доходят до какого-либо препятствия, волны отражаются от этого препятствия и идут обратно. Например, подходя к берегу, водяная волна отражается от него и возвращается обратно. Так же ведёт себя и звуковая волна, достигающая высокого холма или горы. Если возвращающаяся (отражённая) волна приходит в то же место, где она возникла, то это удаётся заметить: тогда слышится всем хорошо известное эхо.

Заметьте, через сколько секунд слышится эхо, и вы сможете определить расстояние до препятствия, отразившего волну. Например, если вы, находясь в холмистой местности, произнесёте резкий короткий звук и услышите ответное эхо через б секунд, то, значит, холм, отразивший звук, находится от вас на расстоянии около 1 километра.

В самом деле, очевидно, что звуковая волна шла один километр до холма 3 секунды и 3 секунды возвращалась обратно.

Если отражающее препятствие невелико по размерам, то отражённый звук будет очень слаб, и ухо его воспринять не сможет. Но специальные чувствительные приборы позволяют обнаружить отражение звука даже и в этом случае.

5. КАК РАСКАЧИВАЮТ КАЧЕЛИ

Все вы знаете, что для увеличения размаха колебаний качелей необходимо подталкивать качели через определённое время, как говорят, в такт их колебаниям. От этого качели вскоре сильно раскачиваются. Если же раскачивать качели не в такт, то одни толчки будут ускорять движение качелей, другие — тормозить их, и сильных колебаний не получится.

Такое же явление происходит и с волнами. Любая механическая или звуковая волна, достигая какого-либо тела, способного колебаться, приводит его в колебания. Обычно эти колебания настолько слабы, что заметить их трудно. Но иногда бывает иначе. Так, если вы будете длительно петь какую-либо ноту перед роялем с открытой крышкой, то после того, как вы замолчите, можно услышать звук, издаваемый одной из струн, именно той, период колебаний которой совпадает с периодом колебаний спетого звука. Струна как бы отзывается на ваш звук. Если вы споёте другую ноту, то на неё отзовётся другая струна, так как каждая из струн рояля имеет свой определённый период колебаний. Такой же опыт можно сделать и с гитарой, только в этом случае не каждый звук будет вызывать ответное звучание струны, так как гитара имеет всего 7 или 9 струн, и период возбуждающего звука может не совпасть с периодами гитарных струн.

Сжатия и разрежения воздуха, создающиеся при пении, действуют на струну так же, как толчки действуют на качели. Сжатие толкает струну вправо; она изгибается. Но так как струна упруга, она сейчас же начинает выпрямляться, причём если в этот момент сжатие в воздухе сменилось разрежением, то струна распрямляется свободно и идёт в другую сторону. Следующее сжатие воздуха снова толкает её вправо, и так далее. Если воздушные толчки действуют в такт, то струна раскачивается.

Это замечательное явление называют резонансом («резонанс» по-русски обозначает «отклик»). При резонансе период колебаний раскачиваемого тела как раз совпадает с периодом колебаний той силы, которая раскачивает тело.

При благоприятных условиях размах резонансных колебаний может в тысячи раз превышать размах в отсутствии резонанса. Известны случаи, когда резонансные колебания приводили к катастрофам. Так, однажды по мосту проходила воинская часть, двигавшаяся «в ногу». Случайно период шагов солдат совпал с периодом собственных колебаний моста. В результате мост раскачался настолько сильно, что разрушился. Теперь в воинских уставах указывается, что по мостам воинская часть должна идти «не в ногу», чтобы не создать опасного резонанса.

Рис. 5. Камертон на резонансном ящике.

Явление резонанса используется также для усиления звуков, возбуждаемых в воздухе каким-либо колеблющимся телом. Так, если держать звучащий камертон (так называют прибор, похожий на вилку; он применяется при обучении пению) в руках, то издаваемый им звук кажется тихим; создаваемая камертоном звуковая волна слаба, так как маленькие ножки камертона приводят воздух только в очень слабое движение. Но если поставить камертон на полый ящик, открытый с одного конца (рис. 5), то он быстро приведёт в колебание весь столб воздуха, заключённый в ящике; издаваемый звук оказывается более сильным. Конечно, размеры ящика должны быть выбраны таким образом, чтобы колебания воздушного столба были резонансными.

Легко при этом заметить, что если камертон держать в руках, то он звучит дольше, но зато слабее, чем камертон с ящиком. Это происходит потому, что в последнем случае — при камертоне с ящиком — отдача звука в окружающее пространство («излучение» звука) происходит быстрее, камертон быстрее теряет энергию и перестаёт колебаться.

II. У КОЛЫБЕЛИ РАДИОСВЯЗИ

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК КАК МАГНИТ

Всем вам, конечно, знаком электрический ток. Он течёт по проводам, освещает наши дома, нагревает утюги и плитки, приводит в движение самые разнообразные машины. Учёные установили, что электрический ток — это движение мельчайших частиц, электронов, которые текут по проводам под действием электрических сил.

При своём движении электроны сталкиваются с частицами вещества, из которого сделана проволока. В результате этих столкновений получается тепло (вспомните, что если ударять молотом по наковальне, то оба тела также нагреваются). Это нагревание широко используется в электрических лампочках (в них тонкая металлическая нить накаляется током добела) и в электрических плитках.

Ho, кроме того, что электрический ток греет проволоку, он создаёт одно явление, более важное для нас.

Если поднести проволоку с током к магнитной стрелке компаса, то эта стрелка поворачивается. Как известно, точно так же поворачивается магнитная стрелка и от приближения магнита. Значит, ток действует на магнитную стрелку подобно магниту, т. е. ток создаёт вокруг себя магнитные силы. Если проволока прямая, то эти силы малы, их трудно заметить. Но если свернуть проволоку в катушку, магнитные силы делаются более заметными. B этом случае можно заметить действие катушки не только на лёгкую стрелку; если к катушке поднести большой магнит, то он может даже втянуться в катушку. Если изменить направление тока, т. е. поменять местами концы проволоки, присоединённые к источнику тока, то магнит будет уже не втягиваться в катушку, а выталкиваться из неё.

Но ведь хорошо известно, что если подносить один магнит к другому, то они также либо притягиваются, либо отталкиваются — в зависимости от того, какие концы магнитов сближаются. Следовательно, катушка с током становится подобной магниту. И действительно, она, как обыкновенный магнит, притягивает кусок стали, железа, гвозди и тому подобные вещи. Поэтому её называют электромагнитом.

Если теперь вблизи проволочной катушки укрепить стальную круглую пластинку — мембрану — и пропускать по катушке ток, то эта пластинка, притягиваясь к катушке, будет прогибаться. При прекращении тока она будет распрямляться. Таким образом, когда ток ослабляется или усиливается, то и пластинка то выпрямляется, то прогибается, т. е. приходит в колебания. Это колебание передаётся воздуху. Если ток изменяется со звуковой частотой (от 20 до 20000 раз в секунду), то и колебания пластинки и воздуха получаются звуковыми — пластинка звучит.

Таким именно образом и устроен аппарат для передачи звука при помощи электрического тока — телефон. Только в настоящем телефоне, кроме катушки и пластинки, имеется ещё магнит, вставленный в катушку. Он улучшает действие телефона.

При телефонном разговоре между двумя какими-либо местами они соединяются проволоками, по которым течёт электрический ток, меняющийся с частотой звука. Достигая телефона, ток приводит его мембрану в колебания, и в телефоне слышен звук.

Телефон был изобретён лет 70 назад и широко распространился в последующие годы. Число телефонов, действующих на земном шаре в настоящее время, достигает десятков миллионов.

2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЛИЯНИЕ

Магнитные действия тока были открыты в 1820 r. Через несколько лет великий английский физик Михаил Фарадей задался целью выяснить такой вопрос: при помощи электрического тока, т. е. движущихся электронов, можно создать магнитные силы; а нельзя ли получить обратное, т. е. при помощи магнита или электромагнита создать электрические силы и заставить двигаться атомы электричества — электроны?

После долгих и трудных поисков Фарадей достиг успеха в 1831 г. Он заметил, что если перемещать около проволочной катушки магнит или электромагнит, в ней возникает ток. При этом, чем быстрее Фарадей двигал магнит, т. е. чем быстрее изменялись в катушке магнитные силы, тем большей силы получался ток.

Так как ток в проволоке всегда возникает под действием электрических сил, то, следовательно, изменения магнитных сил вызывают в катушке возникновение электрических сил. Это явление называют электромагнитной индукцией («индукция» значит — «влияние»); оно используется почти во всех электрических машинах.

Весьма важно то обстоятельство, что даже если убрать проводник, то электрические силы всё же будут существовать в пространстве, где меняются магнитные силы. Их можно и в этом случае обнаружить, но это не так легко сделать. Таким образом, всегда и везде вся — кое изменение магнитных сил обязательно вызывает появление электрических сил.

С другой стороны, если где-нибудь изменяются электрические силы, то при этом обязательно появляются магнитные силы. Мы имели случай в этом убедиться, когда заметили, что катушка с меняющимся током в различной степени притягивает стальную пластинку.

Действительно, раз при изменении тока пластинка притягивается с неодинаковой силой, значит, магнитные силы, действующие на неё со стороны катушки, меняются. Но ведь ток в катушке создаётся электрическими силами, и если он меняется, то это происходит благодаря изменению электрических сил. Следовательно, изменение электрических сил вызывает изменение магнитных сил.

3. ОТКРЫТИЕ МАКСВЕЛЛА

После смерти Фарадея учёный Максвелл, изучая электрические и магнитные явления, пришёл в 1867 r. к важному заключению. Он доказал, что если где-нибудь меняются электрические силы, то по соседству обязательно возникнут магнитные силы; изменения же магнитных сил в свою очередь создадут по соседству новые электрические силы, и так далее. Начавшись в одном месте, это явление передаётся в «окрестности», оттуда — опять в соседние места и таким образом распространяется всё дальше и дальше, подобно тому как волна, возникшая на воде, распространяется по её поверхности.

Если первоначальные изменения (колебания) электрических и магнитных сил повторялись с определённым периодом, то и изменения электрических и магнитных сил в окружающем пространстве будут происходить также с определённым периодом. В пространстве образуется «электромагнитная волна». Она распространяется, как показали расчёты Максвелла, с громадной скоростью — 300000 километров в секунду. Эта скорость равна скорости распространения света.

Такая скорость удивительно велика. От Москвы до Ленинграда волна проходит только за одну пятисотую долю секунды! Расстояние от Земли до Луны электромагнитная волна проходит в 11⁄4, секунды, а от Земли до Солнца — около 8 минут.

Так как электрические и магнитные силы могут существовать в воздухе и даже в безвоздушном пространстве, то никаких проволок для передачи электромагнитных волн на расстояние не требуется.

В 1887 г. работавший в Германии физик Генрих Герц (потомки которого были изгнаны Гитлером из Германии за своё не чисто немецкое происхождение) научился получать электромагнитные волны и наблюдать их в окружающем пространстве на расстоянии нескольких метров от их источника — от проволоки.

Так как электромагнитные волны не действуют на наши органы чувств, то для обнаружения их приходилось пользоваться специальными приборами. Период колебаний этих волн был поразительно мал: он составлял всего лишь стомиллионные доли секунды (следовательно, длина волны измерялась десятками сантиметров).

4. ПЕРВАЯ РАДИОГРАММА

52 года назад, 7 мая 1895 г. русский учёный Александр Степанович Попов впервые показал на научном заседании в Петербурге (теперь Ленинграде) свой замечательный прибор, который отмечал на расстоянии до 40 километров электромагнитные волны, создаваемые в воздухе электрическими грозовыми разрядами — молнией. Этот прибор (рис. 6) был первым приёмником электромагнитных волн, или, как их теперь чаще называют, радиоволн. Попов назвал его грозоотметчиком.

Показывая учёным свой грозоотметчик, Попов сказал: «Если удастся изобрести достаточно мощные источники электромагнитных волн, то станет возможна связь без каких бы то ни было проводов на значительных расстояниях».

И уже меньше чем через год, 24 марта 1896 г. Попов вместе со своим помощником, ныне здравствующим П. Н. Рыбкиным, передал первую в мире радиограмму. Источник волн, т. е. передатчик, был расположен в 200 метрах от усовершенствованного грозоотметчика — приёмника. Рыбкин вёл передачу, а Галопов вместе с крупнейшими русскими учёными следил за тем, как обычный телеграфный аппарат, присоединённый к грозоотметчику, букву за буквой записывал слова первой радиограммы: «Генрих Герц».

Рис. 6. Грозоотметчик Попова.

После этого Попов начал добиваться увеличения дальности действия своего «беспроволочного телеграфа», в настоящее время называемого радиотелеграфом. Спустя четыре года, в 1899 г., в военно — морском флоте России уже действовал радиотелеграф, который позволял поддерживать связь на расстояниях до 30 километров.

«Радио» означает по-русски «луч». Так как радиопередатчик «излучает» в пространство волны, то беспроволочную телеграфию и назвали «радиотелеграфией», т. е. телеграфией при помощи излучения. Постепенно это слово вошло в обиход и потеряло своё окончание, люди стали говорить просто «радио».

III. КАК ПЕРЕДАЮТСЯ И ПРИНИМАЮТСЯ РАДИОВОЛНЫ

1. ВОЗБУДИТЕЛЬ РАДИОВОЛН

Для телеграфирования без проводов нужно осуществить следующие основные операции:

1. Создать электромагнитные колебания.

2. Послать возбуждаемую этими колебаниями электромагнитную волну в пространство, т. е. послать сигнал.

3. Произвести приём сигнала.

Рассмотрим эти операции поочерёдно.

Подобно тому, как для создания звуковых волн в воз — духе применяют тела, способные совершать колебания (камертон, струна) и отдающие (излучающие) в воздух часть своей энергии в виде звуковых волн, в радиотехнике для возбуждения электромагнитных волн в пространстве применяют так называемый «электрический колебательный контур». Он состоит из проволочной катушки и конденсатора. Если по катушке пропускать электрический ток, то внутри неё создаются значительные магнитные силы. Конденсатор (рис. 7) представляет собой две металлические пластины, разделённые каким-либо непроводником, например, воздухом или слюдой. В пространстве между этими пластинами могут возникать большие электрические силы.

Вспомните, как возникают звуковые колебания. Если вы ударите камертон о что-либо твёрдое, то его ножки придут в движение. Это движение состоит в том, что ножки камертона изгибаются; благодаря этому возникают силы, стремящиеся вернуть ножки камертона обратно. Когда силы станут наибольшими, ножки на мгновение останавливаются, а затем движутся к своему обычному положению, постепенно набирая скорость. Как только ножки приходят в обычное положение, изгиб исчезает; перестают действовать и силы, возвращавшие ножки обратно. Но ножки камертона не останавливаются, так как всякое движущееся тело не может само по себе остановиться. Они проскакивают через нормальное положение снова, изгибаясь при этом, но в обратную сторону; благодаря изгибу снова возникают силы, тормозящие движение ножек, и всё описанное явление возобновляется. Понятно, что уследить глазами за движением ножек камертона трудно, так как он колеблется очень быстро.

Движение ножек камертона происходит, повторяясь через равные промежутки времени, но довольно быстро прекращается благодаря отдаче звука в окружающее пространство. Чтобы долгое время поддерживать это движение, нужно давать камертону толчки со стороны.

Рис. 7. Конденсатор колебательного контура.

Для создания электромагнитных колебаний, как уже было сказано, применяют электрический колебательный контур (рис. 8,а). Контур также можно «подтолкнуть», если послать на конденсатор электрические заряды (рис. 8,б). В этом случае на нижней металлической пластине конденсатора создаётся избыток электронов. Избыток этот будет стремиться равномерно распределиться между обеими пластинами — к верхней пластине двинется поток электронов. Но, не имея возможности двигаться в воздухе, отделяющем пластины друг от друга, так как воздух — непроводник, они придут в движение по проволокам и катушке. Возникает ток. Электрический ток создаст магнитные силы (это показано на рис. 8,в). Через очень короткое время избыточные заряды на конденсаторе исчезнут, но движение зарядов в катушке будет продолжаться (подобно тому, как ножка камертона не останавливается в положении равновесия, а проскакивает через него). Постепенно и магнитные силы, и ток ослабевают, так как на верхней пластине конденсатора скопляются заряды, препятствующие дальнейшему течению тока (срав — ните с силами изгиба, постепенно останавливающими ножку камертона). В конце концов ток и магнитные силы исчезают, а конденсатор вновь оказывается заряженным (рис. 8,г). Но теперь избыток электронов имеется уже не на нижней, а на верхней пластине. Затем конденсатор снова начинает разряжаться, но теперь ток уже идёт в обратном направлении (рис. 8, д). Снова произойдёт перезарядка конденсатора, и этот процесс будет размеренно повторяться. Но так как катушка сделана из проволоки, а ток, текущий по проволоке, нагревает её, то при описанных электрических колебаниях будет выделяться тепло; благодаря этому колебания будут ослабевать и вскоре прекратятся совсем.

Рис. 8. Схема электромагнитных колебаний в контуре.

Период этих колебаний зависит от свойств и размеров катушки и конденсатора. В радиотехнических установках периоды колебаний не превышают обычно миллионных долей секунды, а весь колебательный процесс, если его не «подталкивать» извне, способен длиться только десятитысячные доли секунды.

Чтобы поддерживать колебания камертона долгое время, его нужно подталкивать сравнительно редко, так как он может колебаться от одного толчка много секунд. Это нетрудно осуществить разными механическими способами. Но как быть в случае электромагнитных колебаний контура, где колебания существуют только десятитысячные доли секунды? Где найти способ, позволяющий «подталкивать» контур достаточно часто?

Задачу эту позволила разрешить так называемая электронная лампа, изобретённая в начале нашего столетия и победоносно завоевавшая в настоящее время все области радиосвязи, так как возможности применения этой лампы оказались поистине неисчислимыми.

2. ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА

Простейшая электронная лампа (рис. 9) представляет собой стеклянный пузырь, или, как его называют, баллон, из которого тщательно удалён воздух. В баллон впаяны три электрода: 1) сплошной металлический цилиндр; 2) цилиндр из спиральной сетки, расположенный внутри металлического цилиндра, и 3) металлическая нить, которая протянута по оси, общей для обоих цилиндров.

Рис. 9. Схема лампового источника электромагнитных колебаний.

От каждого из электродов сделаны металлические выводы наружу баллона, причём у нити имеются два вывода. Нить нагревается током от электрической батареи; благодаря этому с поверхности нити вылетают электроны. Снаружи лампы металлический цилиндр и нить через катушку и конденсатор электрического контура соединены с другой электрической батареей (см. рис. 9). Под действием этой батареи между металлическим цилиндром и нитью внутри лампы возникают электрические силы, увлекающие к цилиндру электроны. В результате во всей цепи, т. е. внутри лампы и в металлических проводах снаружи, возникает электрический ток. Сеточный цилиндр соединён, кроме того, со вспомогательной катушкой; она находится рядом с главной катушкой.

Теперь представьте себе, что по какой-либо причине электрический ток в главной катушке изменился. Тогда изменятся и магнитные силы вокруг неё, а следовательно, и в расположенной рядом вспомогательной катушке. Но вы уже знаете, что при изменении магнитных сил возникают электрические силы. Возникнут они, конечно, и в этом случае. Значит, между сетчатым цилиндром и нитью, которая служит источником электронов, создадутся добавочные электрические силы; они будут или способствовать движению электронов внутри лампы, или тормозить это движение. В результате будет изменяться ток, отдаваемый электрической батареей, соединённой с металлическим цилиндром, и конденсатор контура будет попеременно заряжаться и разряжаться. Так благодаря лампе возникают электрические колебания.

Рис. 10. стеклянная электронная лампа.

Если ток в главной катушке меняется ритмично, то ритмично будут меняться и электрические силы на сетчатом цилиндре; поэтому же ритмично будет изменяться и ток, отдаваемый батареей. Эта батарея и играет роль «подталкивателя» колебаний. Если схема отрегулирована правильно, то колебания будут «сами себя регулировать» и смогут длительно существовать, причём размах колебаний будет всё время одинаков.

Подобные «ламповые» источники колебаний, названные «незатухающими», так как они происходят без ослабления (затухания), широко применяются в настоящее время не только в радиотехнике, но и во многих других областях техники и науки.

В последние годы стали делать лампы с металлическими баллонами.

3. НАЗНАЧЕНИЕ АНТЕННЫ

Для «излучения» электромагнитных волн в пространство применяется так называемая антенна. В самом простом виде — это длинный прямолинейный провод, находящийся в пространстве. С этим проводом и соединяют источник электромагнитных колебаний — колебательный контур. Таким образом, возникающие в колебательном контуре быстро меняющиеся электрические силы пере — даются на антенну. В антенне образуется быстро меняющийся ток. Вокруг неё возникают меняющиеся магнитные и электрические силы. Так рождаются электромагнитные волны в пространстве. Как уже было сказано, они распространяются в нём с громадной скоростью — 300000 километров в секунду.

С помощью антенны можно уже легко производить передачу условных телеграфных сигналов (по азбуке Морзе). Для этого достаточно приключать антенну к колебательному контуру лишь на отдельные промежутки времени — короткие и длинные. В результате в пространство будут «излучаться» короткие и длинные электрические сигналы.

Простейшая прямолинейная антенна была изобретена А. С. Поповым. Это было его важнейшей заслугой. В последующие годы антенна была значительно усовершенствована. Антенны современных радиостанций представляют собой весьма сложные сооружения; примером может служить антенна сверхмощной, наиболее современной радиостанции, построенной в СССР в годы войны (рис. 11). Эта антенна обеспечивает бесперебойную радио — связь Советского Союза с Соединёнными Штатами Америки.

Рис. 11. Антенна сверхмощной радиостанции.

4. РАДИОПРИЁМ

Звуковые волны, посылаемые камертоном, можно воспринять ухом. Они же могут привести в заметные резонансные колебания другой камертон, если он будет иметь такой же период колебаний. Подобно этому, как вы пом — ните, при пении начинает колебаться струна.

Но как обнаружить электромагнитные волны, посылаемые радиостанциями? Ведь на наши органы чувств они не действуют. В этом случае приходится прибегать к помощи специальных аппаратов; их называют радиоприёмниками.

Одной из основных частей радиоприёмника является приёмная антенна. Что представляет собой антенна, вы уже знаете. На неё непосредственно и действует приходящая электромагнитная волна. Изменение магнитных и электрических сил, создаваемое волной, вызывает в антенне и соединённом с ней электрическом колебательном контуре быстро изменяющиеся электрические токи.

Для чего нужна антенна в радиоприёмнике? А вот для чего. Дело в том, что электромагнитная волна воз — действует на каждый сантиметр длины антенны. Таким образом, чем длиннее антенна, тем большие электрические колебания в ней возникают.

Но здесь возникает затруднение другого рода. Ведь вокруг радиоприёмника проходит очень большое число электромагнитных волн. Множество различных радиостанций работают в одно и то же время — посылают в пространство электромагнитные сигналы.

Каким же образом можно отличить, выделить сигналы нужной нам станции? Для этого приёмный электрический контур регулируется или, как говорят, «настраивается» на какую-либо одну определённую радиоволну.

Эта настройка заключается в том, что период колебаний приёмного контура делают одинаковым с периодом колебаний, создаваемых электрическим контуром передающей радиостанции. В этом случае резонансные колебания, возникающие в приёмном контуре, оказываются очень сильными по сравнению с колебаниями, вызываемыми другими радиостанциями, имеющими иной период. Таким образом, явление резонанса позволяет выделить желаемые сигналы.

Но сигналы нужно сделать ещё слышимыми. Это делают приборы — «детекторы», т. е. обнаружители. Все детекторы, несмотря на разнообразие их типов, выполняют одну и ту же роль — они превращают ритмичные изменения тока, т. е. чередующиеся возрастания и убывания его, в «толчки» тока одного направления — в пульсирующий ток. Этот ток поступает в катушку телефона, имеющегося в приёмнике. Толчки тока воздействуют на мембрану телефона; мембрана смещается, и в телефоне слышен щелчок — признак приёма сигнала.

Роль детектора успешно выполняется электронной лампой, похожей на ту лампу, которая используется для создания электромагнитных колебаний.

5. ТЕЛЕФОН БЕЗ ПРОВОДОВ

Если бы силу (размах) электромагнитных колебаний в радиопередатчике можно было изменять по своему желанию, то соответственным образом менялась бы и сила принимаемого сигнала. Но тогда на мембрану телефона в приёмнике действовали бы уже не постоянные по величине силы, она прогибалась бы различно, и, следовательно, создавала бы различные звуки.

Но как можно воздействовать на размах электромагнитных колебаний радиопередатчика?

Вспомните, что работа лампового источника электромагнитных колебаний зависит от величины быстро меняющихся электрических сил, возникающих на сетке его лампы. Поэтому можно ожидать, что если удастся создать на сетке электронной лампы добавочные электрические силы, меняющиеся сравнительно медленно, с частотой звуковых колебаний, то цель будет достигнута — размах колебаний будет изменяться нужным для нас образом.

Получение электрических токов, меняющихся при изменении какого-либо звука, осуществляется при помощи так называемых «микрофонов». Простейшим и широко распространённым является угольный микрофон. Основная часть его — угольная пластинка — мембрана. Эта пластинка касается слоя угольного порошка и более или менее сильно давит на него (в зависимости от её прогиба под влиянием звуковых волн). Чем сильнее сжимается порошок, тем большей силы ток через него протекает. Уменьшается сжатие — уменьшается сила тока. А изменения сжатия порошка мембраной зависят от звука, произносимого перед микрофоном. Таким образом, когда перед микрофоном произносятся какие-либо звуки, сила протекающего в нём тока постоянно меняется. Это изменение электрических сил вызывает изменение магнитных сил; последние, в свою очередь, сопровождаются изменением тех электрических сил, которые передаются на сетку лампы источника электромагнитных колебаний. Благодаря этому размах колебаний, создаваемых источником, не остаётся всё время постоянным — он меняется в соответствии с изменением звука, произносимого перед микрофоном.

Допустим, что перед микрофоном играет оркестр, поёт артист или просто произносится речь. Тогда изменения электрических сил в микрофоне будут происходить в соответствии с изменениями характера звука. Воздействуя на сетку лампы радиопередатчика, эти электрические силы изменяют размах колебаний радиопередатчика, излучающего электромагнитные волны. Эти же изменения будут получаться и в контуре приёмника, и телефон приёмника воспроизведёт те звуки, которые звучали перед микрофоном передатчика.

Таким путём и осуществляется радиотелефония. Однако радиосигналы, принимаемые от отдалённых станций, оказываются очень слабыми, и телефон звучит чуть слышно.

Чтобы сделать эти сигналы более мощными, радиотехника применяет так называемые усилители, которые позволяют увеличить громкость звука в сотни тысяч раз! Важнейшей частью усилителя является опять же электронная лампа, подобная той, которая была рассмотрена при описании лампового источника электромагнитных колебаний (стр. 22).

Лампа может быть изготовлена так, что очень незначительные колебания электрических сил на сетке лампы будут сильно изменять ток, текущий через лампу. При этом в электрических контурах, присоединённых к лампе, получаются очень сильные колебания электрических сил, которые снова подаются на сетку следующей лампы, где они снова усиливаются. Повторяя усиление несколько раз, можно в конечном счёте получить весьма значительные по размаху токи, под действием которых будет сильно колебаться не только маленькая мембрана обычного телефона, но и способная совершать механические колебания подвижная система мощного громкоговорителя.

Звук, даваемый обычным телефоном, слабее звука, который может издать человек. Современные же большие громкоговорители способны создавать звуки настолько мощные, что нужно было бы заставить несколько миллионов человек кричать одновременно, чтобы получить такой же сильный звук!

Применение усилителей позволяет обнаруживать весьма слабые и незаметные явления. Так, помимо бесчисленных других применений, усилители применяются для выслушивания шумов, создающихся при биениях сердца, хрипов в лёгких и других звуков, представляющих интерес для врачей. Усилители дают возможность людям, страдающим частичной глухотой, слушать обычный разговор (он усиливается в небольшом аппарате, который глухой носит с собой). Физики смогли услышать шумы, которые получаются в железе при постепенном его намагничивании; для этого понадобилось усиление почти в миллион раз!

IV. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ЦЕЛЯХ СВЯЗИ

1. КАК ПЕРЕДАЮТ РАДИОГРАММЫ

Наиболее широкое применение электромагнитные волны нашли в области связи — радиотелеграфии и радиотелефонии. При радиотелеграфировании, как уже указывалось на стр. 24, передающая станция посылает в пространство серии длительных и коротких сигналов постоянной силы. Различные комбинации этих длинных и коротких сигналов (чёрточек и точек), как и в обычном телеграфировании по проводам, обозначают различные буквы алфавита (по азбуке Морзе). Так, буква а условно изображается точкой и чертой, т. е. одним коротким и одним длинным сигналами, буква н — чертой и точкой, цифра 7 — двумя чертами и тремя точками, и т. д. Слово «радио», записанное по азбуке Морзе, выглядит так, как показано на рис. 2.

B небольших радиопередатчиках передача телеграфных сигналов производится вручную: радиотелеграфист передаёт радиосигналы посредством телеграфного ключа нажимая и отжимая его головку (рис. 12). Скорость такой передачи невелика — несколько десятков букв в минуту.

Рис. 12. Ключ для телеграфирования (ключ Морзе).

Приём таких радиосигналов производится человеком на слух. Радиотелеграфист приёмной станции, слушая длинные и короткие звуки, которые создаются при приёме, соображает — каким буквам соответствуют комбинации принимаемых звуков, и записывает эти буквы на бумагу.

В крупных радиостанциях передача телеграфных сигналов производится автоматически специальными быстродействующими приспособлениями; они позволяют передавать более 300 слов в минуту. При такой быстрой передаче радиотелеграфный приём обычным способом — на слух, конечно, невозможен, так как человек не в состоянии принять за одну минуту такое большое число сигналов. Поэтому приёмные устройства мощных радиотелеграфных станций снабжаются быстродействующими приёмными аппаратами — автоматами, которые прямо печатают на телеграфной ленте текст принимаемой радиограммы.

2. РАДИОВЕЩАНИЕ

После изобретения электронной лампы оказалось возможным осуществить и радиотелефонную связь, т. е. передачу не условных сигналов, как в случае радио — телеграфирования, а самих звуков — слов, музыки и пр. Об этом подробно было рассказано на стр. 27.

Так как передающая радиостанция может излучать электромагнитные волны одновременно и с одинаковой силой по всем направлениям вдоль земной поверхности, то эти сигналы воспринимаются сразу сотнями тысяч радиослушателей.

Такие радиопередачи, имеющие колоссальное значение в жизни любого государства, называются широковещательным и (или радиовещательными), так как они обслуживают сразу огромное число слушателей.

Первой радиовещательной передачей в СССР был концерт, передававшийся Москвой 17 сентября 1922 г. Перед Великой отечественной войной число радиовещательных станций в СССР превышало сотню (среди них — самая мощная в мире для того времени — Московская радиостанция имени Коминтерна), а число зарегистри — рованных радиоприёмных пунктов превышало 5 миллионов.

Несколько сократившееся у нас во время войны радиовещание быстро восстанавливается. По пятилетнему плану в 1950 r. оно получит ещё больший размах, чем до войны, и охватит буквально всё население Советского Союза.

3. ПЕРЕДАЧА ИЗОБРАЖЕНИЙ HA РАССТОЯНИЕ

Следующим важным видом связи является так называемая «фототелеграфия», или передача изображений при помощи радиосигналов.

В фототелеграфии важнейшую роль играет прибор, называемый фотоэлементом. Этот прибор представляет собой стеклянный баллон (рис. 13), в который впаяны сетчатый электрод-анод (или просто кольцо из проволоки) и электрод-катод. Катод представляет собой пластинку, покрытую слоем особого металла, который способен терять электроны под влиянием освещения. К таким металлам относятся, например, натрий, литий, цезий. Часто слой этого металла просто наносится на внутреннюю стенку баллона.

Светочувствительный металлический слой — катод и сетчатый электрод — анод соединяются с электрической батареей таким образом, чтобы электроны шли на анод. Однако ток в фотоэлементе возникает лишь тогда, когда на его светочувствительный слой падает свет. Как уже было сказано, свет вырывает с поверхности катода электроны. Электрические силы, созданные батареей, заставляют освобождённые электроны лететь к сетчатому электроду; в результате, в фотоэлементе и возникает электрический ток.

Число вырываемых светом электронов зависит от силы освещения катода: чем больше сила света, тем больше число освобождённых электронов. А с изменением числа этих электронов изменяется и сила тока, возникающего в фотоэлементе. Таким образом, изменяя степень освещённости фотоэлемента, можно получить в нём соответственно меняющийся по силе электрический ток.

Как же происходит передача изображений с помощью радиосигналов?

Вспомните, что различные предметы по-разному отражают свет. Белая, гладкая поверхность, например, лист белой жести, очень сильно отражает световые лучи — она вся блестит отражённым светом.

Рис. 13. Схема фотоэлемента.

Чёрная же поверхность, например, чёрное сукно, наоборот, почти все лучи света поглощает. Благодаря этому, кстати сказать, чёрные предметы и нагреваются сильнее на солнце, чем белые.

Вот этой способностью предметов — различно отражать световые лучи — и пользуются в фототелеграфии. На передающей станции имеется барабан, на который надевается лист с рисунком, подлежащим передаче. Этот барабан вращается вокруг своей оси и B то же время медленно движется вдоль неё. Около барабана установлен фотоэлемент и сильный источник света, дающий тонкий световой пучок. Этот пучок падает на барабан и отражается им на фотоэлемент.

При движении барабана световой пучок падает на различные участки поверхности рисунка и, благодаря этому, по-разному отражается от них. Белые участки рисунка отражают свет лучше серых, серые — лучше чёрных. Таким образом, отражённый пучок света постоянно меняет свою яркость, он, как говорят, мигает. В таком виде световой пучок и падает на фотоэлемент. В фотоэлементе возникает ток. Сила этого тока будет так — же постоянно меняться — в соответствии с изменением яркости падающего на фотоэлемент света.

Ток в фотоэлементе действует на силу сигнала, излучаемого радиостанцией, подобно тому, как при передаче речи сила излучаемого радиостанцией сигнала меняется в соответствии с изменениями звука, произносимого перед микрофоном. Таким образом, передающая радиостанция излучает такие волны, которые в каждый момент соответствуют отражательным свойствам какого-либо участка рисунка.

На приёмной станции имеется такой же барабан, вращающийся в точности так же, как и барабан пере — дающей станции; на его поверхности находится лист фотографической бумаги. Барабан также освещается узким пучком света, сила которого меняется в соответствии с силой принимаемого сигнала — это достигается с помощью специальных электрических аппаратов. А сила принимаемого сигнала, как вы уже знаете, зависит оттого, на какую часть рисунка — тёмную или светлую — падает луч света на передающей станции. Таким образом, при вращении приёмного барабана на различные участки фотобумаги попадает свет различной яркости, в соответствии с распределением тёмных и светлых пятен на рисунке, находящемся на передающей станции. Поэтому отдельные участки фотобумаги после проявления её обычными фотографическими способами оказываются раз — лично почерневшими. Таким путём на бумаге воспроизводится передаваемый рисунок.

Фототелеграфия широко используется при срочной передаче различных фотографий и рисунков, для газет, а также для передачи подлинных текстов различных документов и подписей.

4. КАК ВИДЯТ НА РАССТОЯНИИ

В отличие от фототелеграфии, где изображение на приёмном барабане становится видимым только после проявления фотобумаги, при другом типе радиосвязи — телевидении (т. е. видении на расстоянии) в приёмнике получается изображение, которое видно непосредственно во время радиоприёма.

Рис. 14. Приёмная телевизионная трубка.

В этом случае на передающей станции так же, как и при фототелеграфии (но технически более сложным способом), создаются сигналы. Сила этих сигналов изменяется в соответствии со степенью освещённости отдельных участков рисунка или предмета, изображение которого передаётся. На приёмной станции сигналы воспринимаются и подаются в специальную так называемую разрядную стеклянную трубку (рис. 14). Внутренняя поверхность торца разрядной трубки покрыта специальным составом; он способен светиться при попадании на него электронов. Эту поверхность называют экраном. Вдоль оси трубки, под действием электрических сил, движется поток электронов в виде очень узкого электронного луча. Диаметр луча составляет лишь доли миллиметра. Этот луч, невидимый для человеческого глаза, попадает на экран трубки, который и начинает светиться. Свечение длится только то время, пока луч падает на тот или иной участок экрана. Яркость свечения зависит от силы электронного пучка, т. е. от количества электронов в пучке. Чем больше электронов падает на экран, тем сильнее он светится.

При помощи специальных приспособлений электронный луч заставляют пробегать по поверхности экрана, описывая на ней прямоугольник или квадрат. Это описывание квадрата происходит очень быстро — менее 20 раз в секунду. И нужно это вот для чего. Вспомните, что когда вы, смотрите на быстро вертящееся колесо со спицами, то отдельные спицы перестают быть видимыми — их изображения сливаются в сплошной диск. Точно так же и в нашем случае вся поверхность прямоугольника кажется наблюдателю светящейся, так как при достаточно быстром повторении освещения какой-либо части экрана отдельные свечения сливаются в постоянное свечение.

Как известно, эта способность глаза — сохранять в течение некоторого времени зрительное впечатление — используется и в кино, где на экране возникают друг за другом изображения отдельных фотографий — кадров. Кадры сменяются 24 раза в секунду. В результате глаз воспринимает слитное изображение. Так как каждая фотография немного отличается от предшествующей, то зритель и видит на экране движущиеся фигуры.

Чтобы лучше понять, как возникают изображения на экране трубки телевизионного приёмника (телевизора), проделайте такой опыт. Начертите на белой бумаге прямоугольник. Из левого верхнего угла проведите карандашом тонкую горизонтальную линию, нажимая на карандаш в разных местах с различной силой. Затем сдвиньте карандаш немного вниз и проведите таким же образом следующую линию, и так продолжайте до тех пор, пока линии не заполнят весь прямоугольник.

Теперь посмотрите, что у вас получилось. Вы видите, что поверхность прямоугольника покрылась некоторым узором.

Электронный пучок обегает экран так же, как ваш карандаш обходит прямоугольник. Принимаемые радиосигналы, о которых говорилось выше, изменяют силу электронного пучка, а вместе с ней и яркость свечения экрана. В результате, в различных частях экрана получается различное освещение; на экране образуются контуры того предмета, который находился перед фотоэлементом в передатчике. А так как электронный пучок обегает экран не менее 20 раз в секунду, то изображение видно всё сразу.

Так осуществляется передача изображений при помощи радио.

Современные приборы позволяют передавать не только изображения ярко освещённых предметов, находящихся в специальных комнатах (студиях) при радиостанции, но дают возможность вести передачу и при обычном дневном свете.

Телевидение представляет сравнительно новую отрасль радиотехники. До войны телевизионные передачи в СССР и за границей проводились только B отдельных крупных городах. В ближайшем будущем телевидение, несомненно, найдёт гораздо более широкое применение.

5. ДЛИНЫ РАДИОВОЛН

Какова же длина электромагнитных волн, применяющихся при передатчиках?

В первые годы развития радиосвязи применяли волны, длина которых равнялась нескольким километрам. Частота, соответствующая этим волнам, достигала сотни тысяч колебаний в секунду. Это число колебаний кажется нам очень большим. Действительно, оно во много раз превосходит привычные для нас частоты. Так, человеческое сердце совершает 100 000 ударов, примерно, в течение одних суток. Быстроходные машины (например, электрические моторы), вращение которых кажется нам чрезвычайно быстрым, обычно делают не более 50 оборотов в секунду; им потребовалось бы около 30 минут, чтобы сделать сто тысяч оборотов. Но для электромагнитных колебаний эта частота оказывается совсем небольшой.

По мере совершенствования радиопередатчиков учёные стали применять всё более высокие частоты, т. е. более короткие волны. Эти волны оказались удобными, потому что размеры антенн и электрических контуров получаются тем меньшими, чем короче длина волны. Кроме того, радиотелефония и телевидение на этих коротких волнах осуществляются с большим совершенством. Наконец, при использовании коротких волн одновременная работа многих радиостанций не мешает друг другу.

Эти и некоторые другие (более специальные) причины привели к тому, что уже перед второй мировой войной применялись волны длиной в несколько метров. Частота таких волн — около ста миллионов колебаний в секунду. За годы войны нашли применение ещё более короткие волны; их длина составляет всего несколько сантиметров. Источник таких волн совершает каждую секунду около десяти миллиардов колебаний! Человек должен был бы прожить 300 лет, чтобы его сердце успело сделать такое громадное число ударов.

V. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ ПОМОГАЮТ УЧЁНЫМ

1. ЧЕМ ИЗМЕРЯЮТ РОСТ ТРАВЫ

После того как электромагнитные волны были применены для целей связи, они нашли широкое применение в целом ряде научных исследований.

Прежде всего следует указать, что с помощью радиотехники были значительно усовершенствованы различные способы измерений, применявшиеся в научных исследованиях. Так, например, оказалось возможным построить приборы для точного измерения малых изменений длины — радиомикрометры.

Идея радиомикрометра очень проста. Как было уже рассказано, период колебаний электрического контура зависит от размеров конденсатора, в частности, от расстояния между его пластинами. Если одну из пластин закрепить неподвижно, а другую соединить с предметом, размеры которого изменяются, то при этих изменениях будет меняться расстояние между пластинами, а с ним и период колебаний. Удаётся измерить очень малые изменения периода колебаний, не превышающие одной миллионной доли его значения; тем самым становятся доступными измерению очень малые изменения длины.

Радиомикрометр применяется для изучения изменения размера тел при их нагревании, при намагничивании и т. д. При помощи радиомикрометра удаётся наблюдать, как растёт трава!

2. РАДИОЧАСЫ

Специальные радиотехнические устройства могут длительно работать, создавая колебания строго определённого периода. Число этих колебаний можно точно подсчитать, а значит, и весьма точно измерить время. Так, если какое-то радиотехническое устройство работает с периодом 0,01 секунды, то, очевидно, что 10 тысяч колебаний, которые можно точно отсчитать, устройство совершит ровно в 100 секунд. Так были сконструированы радиочасы.

С помощью таких часов удалось сделать важное открытие, что наша Земля вращается вокруг своей оси не вполне равномерно, как до сих пор предполагалось. Период вращения Земли, т. е. полные сутки, испытывает небольшие изменения (правда, очень ничтожные, измеряемые десятимиллионными долями секунды, но важные с научной точки зрения).

3. ИЗУЧЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Было установлено, что электромагнитные волны отражаются от верхних слоёв атмосферы (c высоты 100–300 километров).

Это отражение обусловлено присутствием в верхних слоях атмосферы электрически заряженных частиц (молекул, потерявших один или несколько электронов), называемых ионами, а также свободных электронов, оторвавшихся от молекул под влиянием солнечных лучей и по другим причинам.

Изучение этих слоёв атмосферы, так называемой ионосферы, представляет большой научный и практический (для целей надёжной радиосвязи) интерес. Это изучение производится теперь с помощью специальных радиосигналов, посылаемых в ионосферу.

Для изучения более низких слоёв атмосферы — на высотах от 20 до 30 километров — в атмосферу посылаются небольшие шарь|, наполненные водородом в газом, который легче воздуха. Шары снабжены закрытым парашютом, различными метеорологическими приборами (метеорология — наука о погоде) и радиопередатчиками, автоматически передающими по радио показания приборов на разных высотах. Эти сигналы принимаются на земле и расшифровываются. На некоторой высоте шар — его называют радиозондом — разрывается, раскрывается парашют, и приборы в целости медленно опускаются на землю.

Сведения, получаемые с помощью радиозондов, играют большую роль при изучении климата и для предсказаний погоды. С этой же целью применяются автоматические радиометеорологические станции, устанавливаемые в труднодоступных местностях: на вершинах гор, на ледниках, в малонаселённых районах и т. д. В течение многих недель эти станции передают по радио сигналы, соответствующие показаниям метеорологических приборов.

Изучая условия распространения электромагнитных волн различной длины во всевозможных веществах, удаётся получить целый ряд сведений о строении молекул этих веществ и о силах, заставляющих различные атомы объединяться в молекулы. Знание этих сил позволяет людям глубже проникать в тайны природы и более успешно подчинять её себе.

VI. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

1. РАДИОЗАКАЛКА ДЕТАЛЕЙ

Современная машиностроительная промышленность нуждается в быстрой и надёжной закалке различных металлических изделий. Обычные методы закалки — сильное нагревание и последующее быстрое охлаждение предмета — не всегда достигают цели. Ряд учёных и, в частности, советский физик Вологдин предложили производить закалку быстроменяющимися электрическими токами. Для этой цели изделие помещается внутрь катушки источника электромагнитных колебаний. При быстрых изменениях магнитных сил внутри катушки в изделии возникают быстроменяющиеся электрические токи. Эти токи обладают той особенностью, что они текут только в поверхностных слоях металлического изделия и вызывают сильное нагревание этих слоёв. В то же время более глубокие слои остаются совершенно холодными. Таким образом обеспечивается закалка на желаемую глубину. Эту закалку можно регулировать, подбирая надлежащую быстроту изменения токов в катушке источника. Равномерность глубины закалки получается очень хорошей. Об этом свидетельствует рис. 15, где изображена фотография разреза шестерни.

Рис. 15. Разрез шестерни, закалённой при помощи электромагнитных колебаний.

Разрез был подвергнут травлению, в результате которого граница закалённого слоя видна очень ясно (закалённый слой чернее остального металла). Для закалки требуются очень мощные радиопередатчики, представляющие целые крупные сооружения.

2. ОСВОБОЖДЕНИЕ МЕТАЛЛА ОТ ГАЗОВ

При производстве различных вакуумных приборов (из которых выкачан воздух), таких, как радиолампы, рентгеновские трубки и т. д., часто замечали, что B лампе, откачанной как будто очень хорошо, при работе всё-таки обнаруживается появление небольшого количества воздуха, в результате чего дорогостоящая лампа выходит из строя. Причина этого неприятного явления заключается в там, что металлические части, впаянные в лампу, всегда содержат некоторое количество воздуха, поглощённого металлом. При работе лампы металлические части нагреваются, часть воздуха освобождается из металла и выходит в баллон. Для устранения этого явления следует при изготовлении лампы сильно прогревать её металлические части во время выкачивания воздуха из баллона. Но как же это сделать, не повредив стеклянный баллон? Оказывается, в этом случае можно поместить лампу в катушку источника электромагнитных волн. Благодаря индукции металл нагревается (как и при закалке), а стекло, свойства которого резко отличаются от свойства металла, остаётся почти холодным. Нагретый металл освобождает поглощённый воздух, который и откачивается насосом. Этот процесс, называемый «обезгаживанием» (т. е., удалением газа), широко используется в электровакуумной промышленности.

3. РАДИОСВАРКА

Электромагнитные волны применяются также при электрической сварке металлов. Как известно, электросварка происходи. благодаря очень сильному разогреванию соприкасающихся металлов, когда по ним пропускают электрический ток. Для электросварки применяют ток, которым мы пользуемся в повседневной жизни. Этот ток меняется медленно: его период составляет 1/50 долю секунды. Но если в месте сварки одновременно с этим током пропустить быстроменяющийся ток, созданный маленьким переносным радиоаппаратом, то сварка происходит гораздо лучше и прочнее.

Современная техника часто требует сварки металлов со стеклом. Эта операция обычно происходит с трудом, а большие поверхности вообще не удавалось сваривать достаточно надёжно. Применение электромагнитных волн позволяет производить подобную сварку вполне надёжно и без особых трудностей.

Таким образом, электромагнитные волны не только улучшают прежние технические методы, но и позволяют создать совершенно новые.

4. В ПОИСКАХ РУДЫ

Некоторые электромагнитные волны способны хорошо распространяться в земле. Но если в толще земли имеются породы, содержащие металлы (руды), то условия распространения ухудшаются, так как сквозь руду эти волны проходить не могут. Изучая, как распространяются волны в том или ином участке земли, геологи — разведчики руд — имеют возможность обнаружить залегающие в глубине руды и даже определить приблизительные границы рудного месторождения. После этого производится бурение на нужную глубину, и свойства рудного месторождения изучаются более подробно.

Таким образом, радиоразведка, которая производится довольно быстро, позволяет избежать излишнего бурения, требующего значительного времени и больших затрат.

5. РАДИО СУШИТ ДЕРЕВО

В вещества, неспособные, в противоположность металлам, хорошо проводить постоянный электрический ток, электромагнитные волны могут проникать на значительную глубину. Если в подобных веществах (их называют диэлектриками), содержащих влагу, быстро изменять электрические силы, то в них происходит весьма значительное выделение тепла. При этом нагрев происходит одновременно во всей толще вещества.

Это даёт возможность использовать электромагнитные волны для сушки дерева. Скорость такой сушки в десятки раз больше скорости обычной тепловой сушки, так как прогрев идёт не с поверхности, а по всей толщине дерева. При радиосушке не представляет труда вызвать в глубоких слоях даже более сильный нагрев, чем на поверхности. Высыхание дерева происходит при такой сушке более равномерно, и в значительной степени исключается опасность, что деревянное изделие покоробится.

6. ОБРАБОТКА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Электромагнитные волны используются также и в пищевой промышленности. Многие пищевые продукты содержат большое количество воды. Когда необходимо сохранить продукты на длительное время, их требуется высушить, уничтожить содержащуюся в них влагу. Это «обезвоживание» продуктов может производиться при помощи электромагнитных волн, подобно обезвоживанию дерева, описанному выше.

Заставляя электромагнитные волны проникать в глубь различных продуктов, подвергающихся консервированию, удаётся также стерилизовать продукты (т. е. уничтожить бактерии, могущие вызвать гниение продуктов). В некоторых случаях при этом улучшаются вкусовые качества консервных изделий, Если консервы находятся в стеклянных банках, то стерилизация возможна непосредственно в банках.

7. УСКОРЕНИЕ РОСТА РАСТЕНИЙ

Подвергая воздействию электромагнитных волн семена некоторых злаков, клубни картофеля и других растений, удаётся в некоторых случаях ускорить рост растений после посадки этих семян и клубней. При этом растения не только созревают скорее, но и оказываются более стойкими и дают лучший урожай. Ускорение роста может иметь большое народнохозяйственное значение; например, на Украине хлопчатник не успевает созревать до наступления холодов. Ускорив созревание его при помощи электромагнитных волн, можно надеяться, что созревание хлопчатника наступит до наступления заморозков. Опыты подобного рода производились перед войной и у нас, и за границей. Нужно думать, что дальнейшее изучение влияния электромагнитных волн на развитие растений даст много ценного для сельского хозяйства.

8. БОРЬБА С ПАРАЗИТАМИ

Электромагнитные волны уничтожают различных паразитов, например, клещей, и мелких насекомых. Поэтому они применяются иногда для протравливания (обеззараживания) семян, причём волны одновременно могут влиять и на скорость развития растений, которые вырастут из этих семян.

В больших книгохранилищах часто замечается, что в старинных книгах, имеющих громадную ценность, заводятся паразиты, уничтожающие книги. Эти паразиты очень стойки, их не удаётся уничтожить, даже подвергая книги действию сильных ядовитых веществ. На помощь приходят электромагнитные волны. Они полностью уничтожают книжных паразитов.

Делались также предложения производить дезинфекцию при помощи электромагнитных волн для уничтожения клопов, вшей и других человеческих паразитов. Однако радиоустановки, необходимые для такой дезинфекции, получаются очень сложными и дорогими. Поэтому широкого распространения эти опыты не получили.

9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В МЕДИЦИНЕ

Проникая в человеческий организм, электромагнитные волны вызывают нагревание тканей организма, причём возможен прогрев внутренних тканей и органов. Особенно это заметно при действии так называемых ультракоротких электромагнитных волн, имеющих длину от 3 до 10 метров (чему соответствует период колебаний от одной стомиллионной до одной тридцатимиллионной доли секунды). При сильном облучении такими волнами действие их вредно для организма, который настолько перегревается, что возникает лихорадочное состояние, сопровождаемое головной болью, тошнотой и т. п.

Но при малых дозах облучения, а также при воздействии волн не на весь организм, а лишь на отдельные его участки, действие ультракоротких волн оказывается весьма благотворным и используется при лечении различных заболеваний.

Блестящие результаты даёт использование этого способа при лечении гнойных ран, различных воспалительных процессов, а также при лечении сильных отмораживаний, не поддающихся лечению другими способами.

При некоторых заболеваниях оказывается полезным создавать кратковременную «искусственную лихорадку», легко вызываемую мощными аппаратами.

Более медленные изменения электрических сил — с периодом около одной миллионной доли секунды — с успехом применяются для уменьшения повышенного кровяного давления.

10. РАДИОТРАНСПОРТ

В последние годы советские учёные предложили использовать электромагнитные волны для создания «беспроводного» электрического транспорта.

Обычный трамвай или троллейбус, движимые электрической энергией, нуждаются в электрической проводке, сильно загромождавшей улицы. Если же проложить под землёй специальную линию, по которой, не расходясь во все стороны, может распространяться электромагнитная волна, то тележка с электрическим мотором и специальным устройством, позволяющим использовать электрическую энергию этой волны, может передвигаться по улице, на поверхности которой не нужно будет устанавливать ни мачт, ни проводов. Пробные установки такого рода уже испытывались на внутризаводском транспорте некоторых советских заводов и дали обнадёживающие результаты. B настоящее время подобный транспорт проектируется для столицы Украины — Киева.

11. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ

Обычная радиовещательная станция посылает электромагнитные волны во все стороны, подобно лампе, свет от которой также распространяется по всем направлениям.

Но, как известно, пользуясь вогнутыми зеркалами, можно получать направленные световые пучки. Общеизвестным примером этого служат световые прожекторы.

Подобным же образом можно собирать в «пучки» электромагнитные волны, заставляя их (при небольшой длине волны) отражаться в нужном направлении от металлических зеркал, либо создавая для этого сложные антенны.

Если бы удалось получить весьма сильное излучение электромагнитных волн в нужном направлении, то стала бы возможной передача электромагнитной энергии без проводов на большие расстояния в больших количествах. Тогда современные дорогостоящие линии электропередач оказались бы излишними.

В настоящее время это ещё невозможно, так как необходимые для этой цели устройства слишком громоздки и дороги. Но не исключена возможность, что в ближайшем будущем такая задача будет решена, так как по мере уменьшения длины волны размеры необходимых устройств для получения направленных волн уменьшаются, а радиотехника в последние годы сделала громадные успехи как раз в освоении очень коротких электромагнитных воля.

VII. РАДИО НА МОРЕ И В ВОЗДУХЕ

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ

В первые же годы развития радиосвязи учёные обратили внимание на возможность определения направления, по которому распространяется волна, при помощи так называемой рамочной антенны, представляющей в простейшем случае прямоугольную проволочную рамку, включаемую в радиоприёмную схему. Если рамка расположена так, что её плоскость образует прямой угол с направлением распространения волны (рис. 16), то в вертикальных участках рамки под воздействием волны одновременно будут возникать электрические токи. Так как в обеих половинах рамки эти токи (изображённые стрелками) направлены друг другу навстречу и одинаковы, то их общее действие сведётся к нулю, они взаимно уничтожат друг друга, и радиосигнал, приносимый волной, не будет услышан.

Рис. 16. Действие приёмной рамки.

Но если начать вращать рамку вокруг вертикальной оси, то к одной из сторон рамки волна будет подходить чуть-чуть раньше, чем к другой, и поэтому токи, возникающие в обеих половинках рамки, хотя и будут иметь противоположные направления, но не будут одинаковы и уже не уничтожат друг друга полностью, так как их изменения во времени не вполне совпадают. В результате в рамке возникнет некоторый ток, и радиосигнал будет услышан.

Для пояснения этой важной особенности радиоприёма на рамочную антенну можно привести такой пример.

Представьте себе тележку, стоящую на рельсах. Если два человека, стоя у противоположных концов тележки, будут стараться сдвинуть её друг на друга короткими размеренными толчками равной силы, то при строгой одновременности толчков, очевидно, никакого движения тележка не получит. Если же один из людей будет чуть-чуть запаздывать, то тележка будет двигаться взад и вперёд, так как, хотя сила толчков и одинакова, но они действуют в различные моменты.

В случае радиоприёма на рамку, поставленную под острым углом к направлению движения волны, когда возникающие в ней токи не вполне уничтожают друг друга, очевидно, радиосигнал будет восприниматься. Сила приёма будет, конечно, тем значительнее, чем больше токи в одной половине рамки отстают во времени от токов в другой её половине; следовательно, если рамка будет установлена параллельно движению волны, то сила приёма должна получиться наибольшей.

Итак, при приёме радиосигналов на рамку, вращая её, можно определить, с какой стороны принимается электромагнитная волна, т. е. определить направление на радиостанцию, передающую радиосигналы.

Конечно, здесь возможна ошибка на 180 градусов, так как нет возможности определить, движется ли волна от правой стороны рамки к левой или же в обратном направлении. Но так как кроме радиосигналов обычно возможны и другие способы определения направлений, например, с помощью компаса, то почти всегда возможно избежать этой ошибки.

Так, если самолёт, летящий из Смоленска в Москву, теряет своё направление на середине пути, то, принимая на рамку радиосигналы Москвы и располагая компасом, указывающим направление на север, лётчик может быть уверен, что нужно лететь в направлении принятого сигнала и к тому же на восток, а не на запад.

Определение направления на передающую радиостанцию при помощи рамочной антенны производится довольно грубо. Ошибка в определении направления может достигать нескольких градусов.

Разумеется, этим методом могут пользоваться только самолёты, но и морские суда.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА

Если нужно определить не только направление, в котором следует двигаться, но и своё точное местоположение, то определяют направление от места, где находится, например, самолёт K (рис. 17), на две известные станции С1 и С2. Зная углы К, С1 и расстояние C1С2 можно вычислить положение самолёта.

Рис. 17. Определение местоположения при помощи радио.

Такой способ определения положения называется радиопеленгацией.

Нетрудно сообразить, что если провести обратную операцию, т. е. принять сигналы, посылаемые радиостанцией К, в двух пунктах С1 и С2, то можно определить положение радиостанции К. Этим пользуются в военных условиях для определения расположения вражеских радиостанций. Поэтому военные радиостанции, как правило, избегают вести длительные радиопередачи с одного места, чтобы противник не успел произвести определение их положения.

3. РАДИОМАЯКИ

Только что рассмотренный способ радиопеленгации недостаточно точен.

Для более надёжного определения курса самолёта применяются радиостанции специальной конструкции, так называемые радиомаяки. Они позволяют самолёту весьма точно определять правильное направление своего движения. Из многочисленных типов радиомаяков опишем простейший, в котором используется «равносигнальный» метод.

Пусть самолёт должен лететь из места А (рис. 18) в место В по линии АВ. На равных расстояниях от В располагаются две одинаковые по мощности радио — станции С1 и С2. Одна из них (например, C1) посылает сигналы, соответствующие букве «а» телеграфной азбуки Морзе, другая (станция C2) — сигналы, соответствующие букве «и». Во времени сигналы распределены так, что когда передаёт одна из станций, то другая молчит, и наоборот.

Штурман самолёта, принимая эти сигналы, слышит более сильный звук, соответствующий радиосигналам той станции, которая ближе к самолёту. Так, если самолёт летит в направлении ДВ, то сильнее слышна буква «а». Если же самолёт находится на правильном курсе АВ, то оба сигнала воспринимаются одинаково громко; они сливаются в один общий непрерывный звук постоянной силы (отсюда название метода — равносигнальный).

Подобные радиомаяки устанавливаются при входах в гавани, в аэропорты и т. д.

Радиомаяки использовались для направления советских самолётов при героических полётах Чкалова и Громова из Москвы в Соединённые штаты Америки через Северный полюс; они же направляли самолёты экспедиции Шмидта — Папанина на Северный полюс.

Рис. 18. Определение направления движения равносигнальным методом.

При помощи других специальных радиомаяков можно указывать лётчику правильную высоту полёта, что позволяет обеспечить «слепую» посадку самолёта в условиях ночной темноты, тумана, снегопада и т. д.

Наиболее современные радиостанции работают на более сложном принципе, частично описанном в следующей главе. Они устанавливаются в настоящее время на побережье Европы и Америки. Эти станции должны обеспечить мореплавание в Атлантическом океане таким образом, что корабль, плывущий из Европы в Америку, половину пути направляется европейскими радиостанциями, а затем попадает в область действия американских, ни на минуту не теряя возможности определить при помощи радио своё местонахождение. Точность определения положения с помощью этих замечательных установок, представляющих последнее слово радиотехники, поразительно велика: на расстоянии около 2000 километров от берега ошибка в определении местоположения не превышает сотни метров! При приближении к берегу эта ошибка ещё уменьшается.

VIll. РАДИОЛОКАЦИЯ

1. КАК ЗАМЕТИТЬ САМОЛЁТ ВРАГА

Радиолокация, т. е. определение местоположения предметов при помощи радиосигналов, получила широкое распространение во время войны, и, наряду с другими техническими открытиями, содействовала успешному её завершению, так как наша техника радиолокации всё время опережала технику врага. Собственно говоря, и радионавигация представляет собою часть радиолокации.

Идея современной радиолокации весьма проста. Пусть радиостанция посылает в пространство узкий радиолуч, подобный световому лучу прожектора. Направление этого радиолуча можно изменять, поворачивая «радиопрожектор», как поворачивается обычный прожектор. При встрече на своём пути самолёта радиолуч частично отразится от него и возвратится обратно (точно так же в луче обычного светового прожектора мы видим самолет только потому, что свет частично отражается им и попадает в наши глаза).

Чувствительное приёмное устройство позволяет заметить отражённый самолётом радиолуч. Таким образом удаётся определить, в каком направлении находится «освещённый» радиолучом самолёт.

При этом лётчик самолёта, конечно, не знает, что его уже обнаружили, так как радиолуч не действует на глаза человека. При использовании же светового прожектора лётчик видит световой луч и может стараться увернуться от него.

Обнаружив самолёт с помощью направленного радиолуча, можно определить и расстояние до него. С этой целью радиолуч посылается не непрерывно, а только в очень короткие промежутки времени (миллионные доли секунды), так что паузы — отсутствие радиопередачи — между отдельными сигналами длятся примерно в сто раз больше. Благодаря этому во время паузы радиосигнал успевает достичь самолёта и вернуться обратно.

Измеряя время движения сигнала и зная, что он распространяется со скоростью 300 тысяч километров в секунду, можно определить расстояние до самолёта, подобно тому как, слушая звуковое эхо, можно определить расстояние до препятствия, отражающего звук (стр.11).

Современные радиолокационные станции (их часто называют «радары») позволяют обнаружить самолёт на расстоянии до 300 километров и измерить расстояние до него с ошибкой всего лишь в 300–500 метров, а направление на самолёт — ошибкой в 2–3 градуса.

Этого вполне достаточно для того, чтобы подготовиться к встрече врага.

Более того, когда самолёты приближаются, то другие радиолокационные станции, способные уловить самолёт на расстоянии 30–40 километров, начинают «следить» за ним, причём теперь расстояние определяется с ошибкой не больше 15 метров, а направление — c точностью до сотых долей градуса. Это позволяет вести по самолёту прицельную стрельбу.

Но если самолёт не видит «радиолуч», то ведь и с радиолокационной станции самолёт тоже не виден. Как же разобрать, вражеский это самолёт или свои? Ведь свои самолёты тоже будут отражать радиолучи. Для этого на своих самолётах устанавливаются небольшие радиопередатчики, автоматически приходящие в действие, если самолёт освещается «радиолучом», и посылающие условные опознавательные сигналы, которые и принимаются радаром. Вражеский самолёт, конечно, не посылает этих опознавательных сигналов.

Рис. 19. Радиопрожектор.

2. РАДАРЫ В ВОЗДУХЕ

Во время войны все важнейшие объекты были защищены радиолокационной «оградой», пробиться через которую враг мог только ценой громадных потерь.

Перед началом войны англичане оборудовали радарами только узкий участок вблизи Лондона, защитив свою столицу с востока. Но немецкие самолёты, совершая крюк, налетали с юга, севера и даже с запада. Тогда англичане установили «радиозавесу» по всему побережью, чем значительно осложнили операции немецких бомбардировщиков.

На рис. 19 изображён «радиопрожектор», которым пользовались англичане для ловли немецких самолётов. На рис. 20 изображён американский радар.

Рис. 20. Американский радар.

В ходе войны радиоинженерам удалось сконструировать радиолокационную установку таких небольших размеров, что она могла быть поставлена на небольшой истребитель. Это позволило лётчикам обнаруживать самолёты противника в полной темноте на расстоянии 4–5 километров.

В первую же ночь, когда в воздух поднялись истребители, оснащённые этими установками, из 500 фашистских бомбардировщиков, участвовавших в налёте на Лондон, было сбито почти 200!

После этого разгрома немцы вынуждены были сократить свои разбойничьи налёты.

Рис. 21. Изображения самолётов на экране радара.

В некоторых типах радаров принимаемый сигнал воздействует на специальную трубку, похожую на трубку, применяемую в телевидении (стр. 34). На экране этой трубки отражённый самолётом сигнал производит свечение. Так как радиолуч всё время вращается (в поисках самолётов), то на экране трубки получаются светлые пятнышки в тех направлениях, где имеются самолёты. Причём, чем дальше пятнышко от центрального пятна, тем дальше находится вражеский самолёт. На фотографии экрана, изображённой на рис. 21, видно около двадцати следов от самолётов. Специальные устройства позволяют точно определить положение каждого из них.

Немцы также научились строить радары и ловили самолёты союзников, затрудняя последним налёты на военные объекты Германии. Но союзники вскоре придумали способ, позволявший обезвредить немецкие радары. На экранах немецких радаров стали получаться картины, вроде изображённой на рис. 22. Как вы видите, вся нижняя половина рисунка, соответствующая половине неба, покрыта отражёнными сигналами. Можно подумать, что летят тысячи самолётов. Немецкие зенитчики терялись, не зная, куда направить свои орудия.

Рис. 22. Так выглядит экран радара, когда создаются помехи для радиолокации.

На самом деле, эти многочисленные отражения, сбивавшие немцев с толку, создавались не самолётами, а полосками алюминия, которые союзники разбрасывали со своих самолётов. Эти полоски, медленно опускаясь на землю, также отражали радиоволны и обманывали немцев. Таким образом удалось обезвредить вражеские радары. Эти алюминиевые «макароны», как их называли англичане, сбрасывались союзниками в громадных количествах. Только над Европой было сброшено 8 миллионов килограммов таких «макарон»! Немало их досталось и на долю японцев, с которыми шла война на Тихом океане.

3. 30-СЕКУНДНЫЙ МОРСКОЙ БОЙ

Радары подобного же типа были установлены и на военно-морских судах. Посылая радиосигналы вдоль поверхности воды, они позволяли определять положение вражеских кораблей и руководить стрельбой по этим кораблям, так как удавалось определить даже положение столбов воды, поднимавшихся при попадании в воду крупнокалиберных дальнобойных снарядов и отражавших радиосигналы.

Радиолокационные установки сыграли большую роль в ряде морских операций. Разгром итальянского флота в Средиземном море, уничтожение в ночных боях немецких линейных кораблей «Бисмарк» и «Шарнгорст», уничтожение японского флота в Тихом океане, — во всех этих операциях не малую роль сыграли радары.

Рис. 23. Антенна радара, установленного на военном корабле.

Радары, установленные на морских судах, позволяли настолько точно определять положение корабля противника, что при обстреле последнего попадания снарядов были обеспечены без всякой пристрелки, с первого же залпа. Поэтому морские сражения, которые раньше продолжались по целым часам, теперь стали очень короткими. Известно, что в одном as сражений, когда был обнаружен вражеский тяжёлый крейсер, его удалось потопить двумя залпами тяжёлой артиллерии. Весь бой длился всего 30 секунд!

4. УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДУШНЫМИ ЭСКАДРИЛЬЯМИ

Но радары позволяют сделать ещё больше. Определяя при помощи наземных радаров положение своих самолётов, можно наводить их на цель в условиях плохой видимости, можно управлять движением крупных воздушных соединений, давая им по радио нужные указания.

Массированные налёты авиации союзников на Германию, в которых участвовали одновременно тысячи самолётов, не могли бы быть успешно проведены, если бы движение воздушных эскадрилий не управлялось с земли при помощи радаров.

5. ПРИЦЕЛЬНАЯ БОМБЁЖКА

Наконец, радары позволили вести прицельную бомбардировку небольших по размеру объектов.

Дело в том, что условия отражения электромагнитных волн от земли, воды или металла различны. Поэтому, если тонкий луч радиопрожектора, установленного на самолёте, направляется вниз, то сила отражённого сигнала зависит от того, попадает ли луч на землю или, например, на железную крышу зданий. Следя за силой отражённого сигнала, штурман самолёта может очень точно определить, когда самолёт находится над целью, и сбросить бомбы прямо в эту цель.

Новейшие типы радаров позволяют штурману самолёта видеть на экране трубки радиоприёмника карту местности, над которой летит самолёт. На рис. 24 изображена «карта», которую видно на трубке радара. Самолёт летит над берегом. Море кажется чёрным, земля и строения на ней — белыми. Такая карта получается и в ночное время, и в тумане, и при полёте над облаками. Ведь она создаётся радиолучами, а для них туман и тучи не являются помехой.

Подобный же способ позволяет обнаруживать с самолёта подводные лодки и морские суда.

Рис. 24. Так выглядит на экране радара карта местности, над которой летит самолёт.

Число радаров, действовавших на всех фронтах в закончившейся мировой войне, исчислялось многими тысячами. Их значение было так велико, что один из крупнейших американских специалистов по радиолокации справедливо заметил: «Атомная бомба закончила войну, а радар выиграл её».

6. РАДИОРАЗГОВОР С ЛУНОЙ

Современные радары настолько совершенны, что позволяют установить радиосвязь с луной. 10 января 1946 г. антенна радара, изображённая на рис. 25, послала радиосигнал на Луну. Через 21⁄2 секунды этот радиосигнал, отразившийся от поверхности Луны, вернулся обратно и был отмечен радиоприёмником. Он дважды прошёл расстояние в 384 тысячи километров, отделяющее Землю от Луны!

Рис. 25. Антенна радара, «разговаривавшего с Луной».

IX. УПРАВЛЕНИЕ МЕХАНИЗМАМИ ПО РАДИО

1. РАДИОРУЛЕВОЙ

Использовать электромагнитные волны для управления различными механизмами на расстоянии было предложено вскоре же после изобретения радиосвязи.

Пусть, например, требуется управлять рулём лодки. Для этого рулевой штурвал механически соединяют с небольшим электрическим мотором, который с помощью специального приспособления приводится в действие только на то время, пока радиоприёмник, установленный на лодке (он электрически соединён с приспособлением мотора), принимает радиоволны определённой длины.

В нужные моменты радиостанция посылает более или менее длительные радиосигналы, приёмник их принимает и через приспособление приводит в действие мотор. Работая более или менее длительное время, мотор вращает штурвал и вызывает поворот руля.

После прекращения сигнала руль автоматически возвращается в нормальное положение.

Подобным же образом можно приводить в действие и различные органы управления сложного механизма, снабжая каждый из них отдельным мотором и приёмником, причём каждый приёмник способен принимать только определённые радиосигналы, например, каждый приёмник может быть настроен на различную длину волны.

2. НАПАДЕНИЕ НА ШЕРБУР

Ещё во время первой мировой войны 1914–1918 гг. делались попытки создать моторную лодку, управляемую по радио. Одна такая лодка, нагруженная взрывчатыми веществами и управляемая по радио с немецкого самолёта, вошла в порт Шербур — важную базу англо-американских войск во Франции. Она налетела на набережную и частично разрушила её, затруднив работы по разгрузке англо-американских транспортов. Другая германская лодка пыталась повторить эту операцию, но была вовремя замечена и уничтожена.

При дальнейших работах по управлению на расстоянии были достигнуты значительные успехи.

Известно, например, что во время учебной стрельбы американского военного флота в качестве мишеней использовались устарелые корабли, движение которых управлялось радиосигналами.

Описаны также случаи полёта самолётов, управляемых по радио, не только по прямой линии, но даже по замкнутой кривой. Так, при одном из испытаний самолёт без единого человека поднялся в воздух, пролетел более сотни километров, вернулся обратно и благополучно приземлился на том же аэродроме, с которого вылетел.

Подробных сведений о применении радиоуправления на расстоянии во время последней войны пока не имеется. Но есть сведения, что попытки в этом направлении производились. В частности, высказывалось предположение, что некоторые типы сверхдальнобойных снарядов — «летающих бомб», которыми немцы варварски обстреливали Лондон в последние месяцы войны, имели радиоуправление.

3. РАДАРНЫЕ СНАРЯДЫ

Для борьбы с немецкими летающими бомбами англичане использовали также радио. Они применяли артиллерийские снаряды, в каждом из которых помещался маленький радар, посылавший в пространство радиосигналы. При приближении такого снаряда к бомбе сила отражаемого бомбой сигнала увеличивалась, сигнал воздействовал на вспомогательный механизм, имевшийся в снаряде, и на нужном расстоянии снаряд автоматически, под действием принятого радаром отражённого сигнала, разрывался, поражая своими осколками летящую бомбу.

Эти снаряды представляли собой настоящее чудо современной техники. В каждом из них находилось пять миниатюрных радиоламп меньше жёлудя.

Англичане изготовили 20 миллионов таких снарядов, позволивших устранить угрозу летающих бомб. В первые дни обстрела Англии летающими бомбами англичане сбивали над морем только 5 бомб из каждой сотни. Остальные долетали до побережья и несли смерть и разрушения. Но после применения снарядов с радарами только 5 бомб из сотни долетали до берега; остальные 95 уничтожались этими замечательными снарядами над морем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Всего 51 год прошёл с того дня, когда Александр Степанович Попов передал в Петербурге первую в мире радиограмму. В те годы лишь немногие учёные занимались изучением электромагнитных волн. В настоящее же время почти все граждане пользуются радиосвязью: слушают радиовещание, ведут по радио деловые переговоры. Радиоволны применяются также в самых разнообразных отраслях народного хозяйства: в науке, в медицине, в военном деле. Выше было рассказано лишь о важнейших из этих применений.

Во всех странах мира развилась мощная радиопромышленность, созданы громадные научно-исследовательские институты с богатейшим радиооборудованием; в них работают тысячи учёных и инженеров, они совершенствуют уже имеющуюся радиоаппаратуру и открывают всё новые и новые возможности использования электромагнитных волн.

Наша страна с её необъятными просторами нуждается в широко развитой системе радиосвязи. Поэтому советские учёные развивают и совершенствуют радио. И мы можем быть уверены, что в области радиотехники, зародившейся в нашей стране полвека назад, мы будем итти в ногу с другими странами или даже опережать их, потому что наше правительство уделяет радиосвязи большое внимание А мы знаем, что:

Когда большевик говорит: «Это будет»,

Мы знаем, что можем сказать: «Это есть!»

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА ГОСТЕХИ3ДАТА

ВЫШЛИ В СВЕТ:

1. Проф. М. Ф. СУББОТИН. Происхождение и возраст Земли

2. Проф. И. Ф. ПОЛАК. Как устроена Вселенная.

3. Проф. В. Г. БОГОРОВ. Подводный мир.

4. Проф. Б. А. ВОРОНЦОВ-ВЕЛЬЯМИНОВ. Происхождение небесных тел.

6. Проф. А. А. МИХАЙЛОВ. Солнечные и лунные затмения,

6. Проф. В. В. ЛУНКЕВИЧ. Земля в мировом пространстве.

7. Г. П. ГОРШКОВ. Землетрясения.

8. А. А. МАЛИНОВСКИЙ. Строение и жизнь человеческого тела.

9. Проф. И. С. СТЕКОЛЬНИКОВ. Молния и гром.

10. Е. П. ЗАВАРИЦКАЯ. Вулканы.

11. Проф. Б. Л. ДЗЕРДЗЕЕВСКИЙ. Воздушный океан.

12. Проф. A. И. ЛЕБЕДИНСКИИ. В мире звёзд.

13. Акад. В. А. ОБРУЧЕВ. Происхождение гор и материков.

14. Проф. К. Ф. ОГОРОДНИКОВ. На чём Земля держится.

16. Проф. В. Л. ГИНЗБУРГ. Атомное ядро и его энергия.

16. Проф. P. В. КУНИЦКИЙ. День и ночь. Времена года.

17. С. М. ИЛЬЯШЕНКО. Быстрее звука.

18. Проф И. Ф. ПОЛАК. Время и календарь.

19. Проф. В. А. ДОРФМАН. Мир живой и неживой.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

I. КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ И ВОЛНЫ

  1. КАК ДВИЖУТСЯ КАЧЕЛИ

  2. ВОЛНЫ

  3. РОЖДЕНИЕ ЗВУКА

  4. ЧТО ТАКОЕ ЭХО

  5. КАК РАСКАЧИВАЮТ КАЧЕЛИ

II. У КОЛЫБЕЛИ РАДИОСВЯЗИ

  1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК КАК МАГНИТ

  2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЛИЯНИЕ

  3. ОТКРЫТИЕ МАКСВЕЛЛА

  4. ПЕРВАЯ РАДИОГРАММА

III. КАК ПЕРЕДАЮТСЯ И ПРИНИМАЮТСЯ РАДИОВОЛНЫ

  1. ВОЗБУДИТЕЛЬ РАДИОВОЛН

  2. ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА

  3. НАЗНАЧЕНИЕ АНТЕННЫ

  4. РАДИОПРИЁМ

  5. ТЕЛЕФОН БЕЗ ПРОВОДОВ

IV. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ЦЕЛЯХ СВЯЗИ

  1. КАК ПЕРЕДАЮТ РАДИОГРАММЫ

  2. РАДИОВЕЩАНИЕ

  3. ПЕРЕДАЧА ИЗОБРАЖЕНИЙ HA РАССТОЯНИЕ

  4. КАК ВИДЯТ НА РАССТОЯНИИ

  5. ДЛИНЫ РАДИОВОЛН

V. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ ПОМОГАЮТ УЧЁНЫМ

  1. ЧЕМ ИЗМЕРЯЮТ РОСТ ТРАВЫ

  2. РАДИОЧАСЫ

  3. ИЗУЧЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

VI. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

  1. РАДИОЗАКАЛКА ДЕТАЛЕЙ

  2. ОСВОБОЖДЕНИЕ МЕТАЛЛА ОТ ГАЗОВ

  3. РАДИОСВАРКА

  4. В ПОИСКАХ РУДЫ

  5. РАДИО СУШИТ ДЕРЕВО

  6. ОБРАБОТКА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

  7. УСКОРЕНИЕ РОСТА РАСТЕНИЙ

  8. БОРЬБА С ПАРАЗИТАМИ

  9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В МЕДИЦИНЕ

  10. РАДИОТРАНСПОРТ

  11. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ

VII. РАДИО НА МОРЕ И В ВОЗДУХЕ

  1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ

  2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА

  3. РАДИОМАЯКИ

VIll. РАДИОЛОКАЦИЯ

  1. КАК ЗАМЕТИТЬ САМОЛЁТ ВРАГА

  2. РАДАРЫ В ВОЗДУХЕ

  3. 30-СЕКУНДНЫЙ МОРСКОЙ БОЙ

  4. УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДУШНЫМИ ЭСКАДРИЛЬЯМИ

  5. ПРИЦЕЛЬНАЯ БОМБЁЖКА

  6. РАДИОРАЗГОВОР С ЛУНОЙ

IX. УПРАВЛЕНИЕ МЕХАНИЗМАМИ ПО РАДИО

  1. РАДИОРУЛЕВОЙ

  2. НАПАДЕНИЕ НА ШЕРБУР

  3. РАДАРНЫЕ СНАРЯДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА ГОСТЕХИ3ДАТА Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg