Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

Рис. 139. Схема первого приемника А. С. Попова, взятая из его статьи в Журнале Русского физико-химического общества (январь 1896 г.)

волн используется не прямо для приема (например, появления искры), а для управления и с т о ч н и к о м э н е р г и и, который питает регистрирующий аппарат. В современных приемниках когерера нет, его заменили электронные лампы, но п р и н ц и п р е л е остается в силе: ведь электронная лампа по сути дела работает именно как реле. Слабые сигналы, подводимые к лампе, управляют энергией тех источников тока, которые питают эту лампу.

Вместе с тем Попов осуществил в своем приемнике принцип обратной связи, широко применяемый с тех пор в радиотехнике. Усиленный сигнал на в ы х о д е приемника (цепь звонка) автоматически действует на в х о д приемника (цепь когерера). Обратная связь (реализованная в данном устройстве электромеханическим способом) — это основной н о в ы й элемент в изобретении Попова.

7 мая 1895 г. Попов продемонстрировал действие своего приемника на заседании Русского физико-химического общества.

м е н я т ь а м п л и т у д у его колебаний. Этот процесс называется модуляцией. Простейший способ т е л е г р а ф н о й модуляции состоит в прерывании излучения с помощью ключа, т. е. в посылке коротких и длинных сигналов — «точек» и «тире» азбуки Морзе (рис. 140). При т е л е ф о н н о й модуляции амплитуда излучения меняется не путем включения и выключения, а плавно — с передаваемыми звуковыми частотами (рис. 141).

Рис. 140. Телеграфная модуляция

Рис. 141. Телефонная модуляция

На рис. 142 показана схема, поясняющая процесс телефонной модуляции. В отличие от рис. 58 здесь между сеткой и катодом лампы включена вторичная обмотка небольшого повышающего трансформатора, в первичную обмотку которого включены обычный телефонный капсюль (угольный микрофон) и ба-

в контуре посредством этой лампы, меняется вместе с этим низкочастотным напряжением на ее сетке, а следовательно, так же меняется и интенсивность радиоволн, излучаемых антенной.

Разумеется, современная передающая радиоаппаратура устроена сложнее, но описанная схема передает основные ее черты.

Мощность современных широковещательных радиостанций достигает многих сотен и даже тысяч киловатт. Для таких станций созданы специальные радиолампы, размеры которых иной раз превосходят рост

человека. Родиной мощных широковещательных станций является наша страна. Уже в 1922 г. в Москве была построена самая крупная по тому времени радиостанция мощностью 12 кВт, а в 1932 г. в Москве же впервые в мире была введена в действие станция мощностью 500 кВт. Вообще в строительстве мощных радиостанций, разработке для них ламп, антенных сетей и т. п. наша страна занимает одно из первых мест в мире. Мы обязаны этим целому ряду выдающихся советских радиоспециалистов: М. А. Бонч-Бруевичу, М. В. Шулейкину,

А.Л. Минцу и др.

Кантенне радиоприемника приходят модулированные излучения множества одновременно работающих передающих станций. Кроме того, электрические колебания в приемной антенне воз-

буждаются под действием всевозможных и с т о ч н и к о в п о- м е х (например, атмосферных электрических разрядов, искрящих контактов электрических машин и приборов и т. п.). Задача приемника состоит в том, чтобы: 1) выделить из всей этой смеси колебаний передачу интересующей нас станции, 2) в достаточной степени усилить выделенные колебания и 3) получить из этих высокочастотных модулированных колебаний сигналы (колебания со звуковыми частотами, телеграфные или телевизионные сигналы и т. п.), которыми модулировано излучение станции.

Первая задача решается, как мы знаем, при помощи резонанса (§ 29). Приемник содержит колебательные контуры (в простейшем случае — один контур), которые выделяют из всего сложного набора электрических колебаний в антенне довольно узкую полосу частот (так называемая «полоса пропускания»). Меняя настройку контуров приемника, мы передвигаем его «полосу пропускания» по шкале частот. Настройка на данную радиостанцию означает такую установку «полосы пропускания» приемника, при которой частота станции попадает в эту полосу. При этом, конечно, в «полосу пропускания» попадает и некоторая доля колебаний от источников помех. Прием возможен только в том случае, если колебания от принимаемой станции не слишком слабы по сравнению с уровнем мешающих колебаний.

Вторая задача — усиление выделенных посредством резонанса колебаний — решается с помощью либо электронных ламп (см. том II, § 106), либо полупроводниковых триодов (см. том II, § 110). Усиливая колебания, эти приборы и работают в качестве «реле»: выигрыш в интенсивности колебаний получается за счет энергии тех источников (например, батарей), которые питают лампу или транзистор. Если для усиления используется электронная лампа, то слабые колебания напряжения, созданные электромагнитной волной в колебательном контуре приемника,

166 Гл. VI. Электромагнитные волны

подводятся к сетке этой лампы и вызывают гораздо более сильные колебания в цепи ее анода. С анода одной лампы усиленные колебания можно подвести к сетке следующей лампы и усилить их еще больше (многокаскадное усиление). В настоящее время электронные лампы все больше вытесняются полупроводниковыми триодами и диодами (см. том II, § 110), которые гораздо меньше по габаритам и требуют значительно меньших «питающих» напряжений и мощностей.

Наконец, третья задача — восстановление низкочастотных модулирующих сигналов из высокочастотных модулированных колебаний — решается посредством детекторов — приборов, которые проводят ток в одном направлении лучше, чем в противоположном. В современных радиоприемниках в качестве детектора используются опять-таки электронные лампы или полупроводниковые диоды, к которым относятся и так называемые точечно-контактные диоды. В последних выпрямляющим действием обладает контакт между полупроводниковым кристаллом и металлическим острием. Выпрямляющие контакты такого типа (работающие к тому же без всяких источников постоянного питания) были известны как кристаллические детекторы и применялись в радиотехнике еще до изобретения электронных ламп. Поясним, в чем заключается действие детектора.

Благодаря неодинаковому сопротивлению детектора для двух направлений тока форма (осциллограмма) переменного тока, текущего через детектор, отличается от формы подведенного к нему напряжения (рис. 143). В то время как колебания напряжения имеют одинаковый размах (амплитуду) в обе стороны от нуля (рис. 143, а), колебания тока «подрезаны» с той стороны, в которую детектор проводит хуже (рис. 143, б). Но такой несимметричный переменный ток можно представить как с у м м у

Таким образом, если подвести к детектору синусоидальное высокочастотное напряжение, то через детектор, кроме переменного тока высокой частоты, будет течь еще и постоянный ток, который может, например, заставить отклоняться гальванометр, включенный последовательно с детектором.

Допустим теперь, что амплитуда высокочастотного напряжения, подводимого к детектору, не постоянна, а модулирована — изменяется с низкой частотой (рис. 144, а). В детекторе получится несимметричный ток, причем тоже модулированный (рис. 144, б). Если подобно предыдущему разложить такой ток, выделив из него симметричное высокочастотное колебание (кри-

вая 2, рис. 143, в), то вторым слагаемым будет уже не постоянный ток, а ток, меняющийся с низкой частотой — частотой

модуляции (кривая 1). Если последовательно с детектором включить телефон, то этот ток низкой (звуковой) частоты заставит колебаться мембрану телефона и будет нами услышан. Такая простейшая комбинация детектора с телефоном применялась в так называемом детекторном приемнике (рис. 145), которым широко пользовались до появления приемников с электронными лампами.

Рис. 145. Схема детекторного радиоприемника

Детекторный приемник работает не по принципу реле, а использует непосредственно ту энергию, которую улавливает приемная антенна. Детектор с телефоном присоедининяется к резонансному колебательному контуру, причем телефон шунтируется

На приемной станции после усиления и детектирования принятого излучения получается низкочастотный ток, повторяющий колебания силы тока в фотоэлементе передатчика. Если полученным после детектора током питать нить маленькой электрической лампочки, то яркость накала нити будет меняться в соответствии с яркостью тех точек оригинала, которые проходят под объективом на передающей станции.

На приемной станции устроен валик с трубкой и объективом, как и на передающей станции, но вместо фотоэлемента в трубке укреплена электрическая лампочка, а вместо оригинала на валик кладется лист фотографической бумаги. Объектив дает на этой бумаге светлое пятнышко, яркость которого меняется вместе с интенсивностью света, падающего на фотоэлемент передающей станции. Если валик на приемной станции движется точно так же, как и валик на передающей, то, после того как точка за точкой будет освещена вся площадь фотобумаги, после ее проявления на ней получится копия передаваемого оригинала.

Фототелеграф работает сравнительно медленно, так как быстрота его действия зависит от скорости перемещения механических приспособлений и от того, насколько быстро успевает меняться накал электрической лампочки. Поэтому описанным путем нельзя осуществить передачу изображений движущихся предметов (телевидение).

Для осуществления телевидения понадобилось заменить механи-

телеграфа, пришлось заменить электронными лампами, чтобы сделать возможной передачу по радио звуков (радиотелефония).

Сущность телевизионной передачи состоит в следующем. На передающей станции валик, перемещающийся под фотоэлементом, заменен электронным осциллографом, в котором электронный пучок с огромной скоростью бегает не по экрану, а по сложному многоячейковому фотоэлементу, так называемому иконоскопу (от греческих слов «иконос» — изображение, «скопио» — наблюдение). На этот фотоэлемент с помощью объектива отбрасывается передаваемое изображение. Каждая ячейка иконоскопа работает в те моменты, когда на нее попадает электронный пучок. Специальные развертывающие напряжения, подводимые к управляющим пластинам осциллографа, заставляют электронный пучок пробегать по всей поверхности иконоскопа за 1/25 секунды (конец лучка прочерчивает при этом 625 горизонтальных строк, лежащих почти вплотную одна под другой). Сила тока в цепи иконоскопа в каждый момент времени пропорциональна освещенности той ячейки иконоскопа, на которую в этот момент попадает электронный пучок. Поэтому колебания силы тока в цепи иконоскопа передают распределение интенсивности света во всех последовательно «просматриваемых» точках передаваемой картины (кадра).

Получаемые от иконоскопа электрические колебания подводятся к радиопередатчику и модулируют излучаемую им радиоволну подобно тому, как переменный ток в цепи микрофона модулирует радиоволну при передаче звука. Таким образом, каждую секунду радиоволна

уносит «отпечаток» 25 полных кадров, каждый из которых состоит из 625 строк.

На приемной станции валик и лампочка фототелеграфа тоже заменены электронным осциллографом, но с обычным экраном, светящимся под ударами электронов (так называемый кинескоп). После усиления и детектирования принятой волны в приемнике получается точно такой же переменный ток, какой модулировал волну в передатчике. Этот ток используется для того, чтобы управлять и н т е н с и в н о с т ь ю электронного пучка в кинескопе. Яркость же свечения экрана кинескопа пропорциональна интенсивности электронного пучка. Таким образом, яркость пятнышка на приемном экране меняется со временем соответственно освещенности тех точек передаваемого изображения, через которые пробегает электронный пучок в передатчике.

Электронный пучок в приемнике совершает по экрану движение,

вточности синхронное с движением электронного пучка в передатчике по иконоскопу, т. е. он тоже обегает за 1/25 секунды всю площадь экрана, прочерчивая за это время 625 горизонтальных строк. В итоге на приемном экране за 1/25 секунды воспроизводится весь передаваемый кадр. Так как за секунду сменяется 25 таких кадров, то, как и в кино, отдельные изображения воспринимаются нашими глазами как единое слитное движущееся изображение.

Посредством передачи по радио специальных сигналов-команд (например, определенных комбинаций телеграфных знаков) можно осуществлять управление на расстоянии (телеуправление). Удаленный приемник, установленный, в частности, на борту корабля, самолета, искусственного спутника Земли и т. д., заранее настроен на частоту управляющего передатчика. Приемник либо включен постоянно, либо

вопределенное время включается автоматически по заданной программе. Принятые и усиленные сигналы-команды заставляют срабатывать те или иные реле, которые в свою очередь запускают или останавливают вспомогательные электродвигатели, работающие от местных источников энергии и выполняющие различные механические операции. Таким путем можно управлять на расстоянии мощными двигателями, рулевыми механизмами, измерительными приборами, радиопередатчиками и т. п.

Укажем еще на одно применение радио.

В§§ 44 и 45 мы видели, что волны, разбегающиеся по поверхности воды от двух когерентных источников, образуют характерную интерференционную картину (рис. 91 и 92), состоящую из неподвижных чередующихся линий наибольшей и наименьшей интенсивности колебательного движения поверхности воды. Советские ученые Л. И. Ман-

дельштам и Н. Д. Папалекси получили интерференционные явления с помощью радиоволн и дали этим явлениям практическое применение. Они использовали их для быстрого и точного определения расстояний между различными точками земной поверхности, создав тем самым новую отрасль радиотехники — радиогеодезию. Быстрота измерения позволяет проводить его и в том случае, если одна из точек движется (корабль, самолет). Поэтому такой способ измерения расстояний нахо-