Что такое открытый колебательный контур
§ 49. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн
Как мы уже знаем, электромагнитная волна образуется в результате взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Изменение одного поля приводит к появлению другого.
В § 12 и 17 говорилось, что, чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция.
Следовательно, для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. Именно при этом условии напряженность электрического поля 
и индукция магнитного поля 
будут меняться быстро.
Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Циклическая частота колебаний
будет тем больше, чем меньше индуктивность L и емкость С контура.
Открытый колебательный контур
Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В обычном контуре, какой изображен на рисунке 4.3 (его можно назвать закрытым), почти все магнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое — внутри конденсатора. Вдали от контура электромагнитного поля практически нет. Такой контур очень слабо излучает электромагнитные волны.
Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, которое в его честь было названо вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.
К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора (рис. 7.2), уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число витков в катушке. В конце концов получится просто прямой провод. Это и есть открытый колебательный контур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Потому соответствующая им частота колебаний весьма велика.
В открытом контуре заряды не сосредоточены на его концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока неодинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума. (Напомним, что в обычных цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент времени одинакова.) Электромагнитное поле охватывает все пространство вблизи контура.
Для возбуждения колебаний в таком контуре во времена Герца поступали так. Провод разрезали посредине с таким расчетом, чтобы оставался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым (рис. 7.3). Обе части проводника заряжали до высокой разности потенциалов. Когда разность потенциалов превышала некоторое предельное значение, проскакивала искра (рис. 7.4), цепь замыкалась, и в открытом контуре возникали колебания.
Колебания в открытом контуре затухают по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у контура активного сопротивления; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до наступления пробоя искрового промежутка, и все повторяется сначала.
В настоящее время для получения незатухающих колебаний в открытом колебательном контуре его связывают индуктивно с колебательным контуром генератора на транзисторе или генератора другого типа.
Открытый колебательный контур.
Замкнутый колебательный контур называют иногда системой с сосредоточенными параметрами L и С. Электрическое поле в таком контуре сосредоточено главным образом в конденсаторе (в небольшом пространстве между его обкладками), а магнитное поле распространяется лишь вокруг катушки контура на небольшом расстоянии от нее. Поэтому лишь незначительная часть энергии замкнутого колебательного контура излучается в окружающее пространство, а следовательно, такой контур не может обеспечить излучение электромагнитной энергии на большие расстояния. Применяются они в схемах радиостанций для генерирования токов высокой частоты в передатчиках, а также для выделения нужного сигнала и усиления токов высокой частоты в радиоприемниках.
Излучение электромагнитной энергии в пространство при передаче и извлечение ее из пространства при приеме решается при помощи других систем, называющихся системами с распределенными параметрами L и С, или открытыми колебательными контурами — антеннами.
Чтобы обеспечить излучение электромагнитной энергии в пространство, необходимо создать колебательную систему, в которой бы оба поля, электрическое и магнитное, занимали большое пространство. Такую колебательную систему можно получить из замкнутого колебательного контура, если развернуть его, т. е. преобразовать в открытый колебательный контур.
Пусть имеется замкнутый колебательный контур (рис.6,а). Раздвинем пластины конденсатора С сначала, как показано на рис.6,б, а затем, как на рис.6,в. Емкость конденсатора при этом должна оставаться неизменной, для чего одновременно с увеличением толщины диэлектрика (воздуха) будем увеличивать поверхность пластин конденсатора.
Поскольку электрической емкостью обладают не только металлические пластины, но и прямолинейные провода, заменим пластины а и п прямолинейными проводами (рис.6,в), но такой длины, чтобы емкость их оставалась равной емкости конденсатора, состоящего из разделенных воздушным диэлектриком пластин а и п (рис.6,а).
 |
Рис. 6. Преобразование замкнутого колебательного контура в открытый
В этой системе емкость и индуктивность в отличие от замкнутого колебательного контура распределены по всей длине проводов А и Я. Каждый участок провода А и равный ему участок провода П имеют между собой некоторую емкость и некоторую индуктивность.
Антенны.
Передающая антенна предназначена для преобразования энергии радиосигнала в свободные электромагнитные волны, излучаемые в заданных направлениях.
Приёмная антенна предназначена для преобразования электромагнитных волн, приходящих с определённых направлений, в энергию радиосигнала, принимающего форму связанных электромагнитных волн.
Таким образом, в приёмной и передающей антеннах происходят обратимые процессы. Иногда для приёма и передачи применяется одна антенна, что имеет большое значение в практике.
Колебания излучает открытый колебательный контур, который можно образовать из замкнутого, раздвигая пластины конденсатора и одновременно увеличивая их размеры для сохранения постоянства собственной частоты.
На практике широко применяются несимметричные вибраторы, у которых земля заменяет второй провод симметричного вибратора. Это возможно благодаря хорошей проводимости земли.
Если антенна направленная, то плотность потока мощности излучения такой антенны в разных направлениях различна. О направленных свойствах антенны судят по её диаграмме направленности— зависимости напряжённости поля излучения от направления при измерении этого поля на одинаковом расстоянии от антенны, т.е. она показывает форму радиополя данной антенны.
К антеннам предъявляются следующие эксплуатационные требования: безопасность эксплуатации, высокая механическая прочность и надёжность, минимальные габариты; и вес, небольшая стоимость и т.д.
Условия эксплуатации самолётных антенн специфичны. Выступающие части их создают аэродинамическое сопротивление. Если антенна слабо направлена, то она облучает фюзеляж самолёта, вследствие чего искажается диаграмма н
Типы самолетных антенн.
Современные самолеты оборудуются жесткими антенными устройствами. Для приема и передачи используется одна и та же антенна. В момент работы самолетной радиостанции на передачу антенна посредством специального антенного реле подключается к передатчику, а в момент работы станции на прием — к приемнику.
На рис.7 изображена жесткая Г-образная коротковолновая антенна цельнометаллического самолета для радиостанций дальней связи. Она изготовляется из медного провода.
Рис.7. Антенное устройство цельнометаллического самолета
На ультракоротких волнах применяются штыревые антенны. Стержень крепится к фюзеляжу самолета через проходной изолятор.
 |
Рис.8. Общий вид самолетной ультракоротковолновой антенны
Штыревая антенна типа АШС-I удобообтекаемой формы наклонена к поверхности фюзеляжа для уменьшения аэродинамического сопротивления. Такую антенну используют в командных радиостанциях на метровых и дециметровых волнах и в автоматическом радиокомпасе, работающем на средневолновом диапазоне.
Работу автоматического радиокомпаса обеспечивает штыревая и рамочная антенны. В простейшем случае рамочная антенна представляет собой плоский виток провода прямоугольной формы. Ось вращения 00′ совпадает с осью симметрии рамки.
 |
Рис.9. Рамочная антенна и диаграмма направленности
Рамка в горизонтальной плоскости обладает направленными свойствами: её диаграмма направленности имеет форму восьмёрки (рис.9).
В направлении перпендикулярном плоскости рамки, отсутствует разность хода волн к её противоположным вертикальным проводам, поэтому приёма не будет. Наибольшие разность хода вода и амплитуда результирующей э.д.с. будут при у =0° и у =180°.
Действующая высота рамки значительно меньше геометрической. Поэтому рамка имеет малое сопротивление излучения и к.п.д., применяется она только в качестве приёмной антенны. Вращая рамку до получения в ней наибольшей э.д.с. устанавливают направление на радиостанцию.
Минимум диаграммы острее максимума, поэтому рамочной антенной чаще пеленгуют по минимальному приёму.
Заземление и противовес.
Заземлять одну половину антенны имеет смысл в том случае, если почва служит хорошим проводником. Достаточно хорошей проводимостью обладают морская вода и сырая почва. Сухая почва и песок имеют плохую проводимость, вследствие чего получаются большие потери энергии при работе радиостанции. В этом случае нужно устраивать заземление, зарывая в землю проводник или несколько проводников. Заземление в радиостанциях служит как бы одной из обкладок «конденсатора» антенна-земля. Кроме того, в землю отводятся электрические заряды, возникающие в антенне из-за электризации сухим снегом, пылью, или во время грозы.
При твёрдом грунте, на передвижных радиостанциях и на самолётах применяют противовесы. Противовес представляет собой несколько проводов, которые подвешиваются под антенной невысоко над землей. На противовес, изолированный от земли, замыкаются силовые линии электрического поля антенны.
Идеальный противовес должен представлять собой большую металлическую площадь над поверхностью земли. В этом случае противовес должен представлять сплошной экран для электромагнитного поля и тем самим сводить к минимуму потери энергии в земле. Однако выполнение такого противовеса практически затруднительно. Иногда в качестве противовеса используют металлический корпус радиостанции. Противовесом для самолётных радиостанций служит металлический фюзеляж. Но распределение токов в фюзеляже отличается от распределения их в противовесе. В связи с этим изменяются пространственное распределение электромагнитного поля и направленное распространение радиоволн.
Металлизация.
Под металлизацией понимают надёжное электрическое соединение всех металлических частей самолёта и деталей его оборудования между собой и корпусом самолёта. Наличие металлизации обеспечивает:
1. Создание сплошного минусового провода, поскольку минус бортсети «заземлён» на корпус самолёта.
2. Выравнивание потенциала статического электричества, возникающего на частях самолёта и деталях в полёте.
3. Создание эффективного противовеса для передающих устройств радиостанций.
4. Уменьшение помех радиоприёму и увеличение пожарной безопасности самолёта.
На самолёте металлизированы органы управления самолётом, авиадвигатель и его рама, масляная и топливная системы, приборные панели, электрооборудование, агрегаты и экранированные кабели радиоаппаратуры.
Металлизация съёмных и подвижных узлов и агрегатов выполнена гибкими перемычками из медной луженой плетенки, концы которой заделаны в наконечники.
Что такое открытый колебательный контур
Электромагнитные колебания всегда должны создавать электромагнитные волны, но на практике эти волны не всегда легко обнаружить и использовать.
В колебательном контуре, изображенном на рие. 27.1, происходит лишь обмен энергией между емкостью и индуктивностью, а потери энергии на создание электромагнитных волн в окружающем пространстве очень малы. Поэтому такой колебательный контур называют закрытым. Действительно, закрытый колебательный контур создает настолько слабые волны, что их можно обнаружить только с помощью специальных высокочувствительных устройств. Что же нужно сделать, чтобы увеличить интенсивность электромагнитных волн?
Первые опыты в этой области были сделаны Г. Герцем (§ 27.8), неокончательное решение указанного вопроса было найдено только после работ А. С. Попова.
Закрытый колебательный контур почти не создает в окружающем пространстве электромагнитных волн, потому что изменения электрического и магнитного полей этого контура происходят в весьма ограниченной области пространства (внутри конденсатора и катушки). Для создания интенсивных волн необходимо производить эти колебания в открытом пространстве так, чтобы изменяющиеся поля охватывали контур со всех сторон.
Электромагнитные волны, воздаваемые колебательным контуром, называют электромагнитным излучением. Для увеличения излучения контура можно раздвинуть обкладки конденсатора (рис. 27.5, а). Такой колебательный контур называют открытым. Однако и в этом случае интенсивность излучения оказывается недостаточной для практических целей.
Попов нашел значительно более эффективный способ увеличения мощности излучения, создаваемого контуром. Он оставил контур
неизменным, но один конец катушки заземлил, а к другому концу присоединил вертикальный провод со свободным верхним концом. Этот вершкальный провод А (рис. 27.5, б) теперь принято называть снижением. Все устройство, которое присоединяют к колебательному контуру для увеличения мощности электромагнитного излучения и для приема электромагнитных волн, называют антеяной (изобретена А. С. Поповым в 1895 г.).
Открытый колебательный контур. Антенны
Электромагнитные колебания, возникшие в замкнутом контуре, в окружающее его пространство практически не излучаются. Для этих целей примеряется открытый колебательный контур, который называется антенной или вибратором.
Если раздвигать пластины конденсатора, интенсивность излучения электромагнитных волн в окружающее пространство будет возрастать, а замкнутый колебательный контур превратится в открытый.
Емкость открытого колебательного контура образована двумя длинными проводами, отходящими от концов катушки. По всей длине любого провода распределено огромное количество элементарных индуктивностей и емкостей. Полученный колебательный контур называется симметричной полуволновой антенной или симметричным полуволновым вибратором. Антенна состоит из двух одинаковых половин, поэтому она симметричная. Полуволновой она называется потому, что резонанс на частоте сигнала будет в ней в том случае, если длина L будет равна половине длины волны принимаемого или передаваемого сигнала.
При появлении в ней колебаний электрического тока вокруг антенны будут образовываться переменные магнитное и электрическое поля, создающие в совокупности электромагнитное поле. Это поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Частота колебаний электромагнитного поля соответствует частоте колебаний тока в антенне, а дальность его излучения зависит от амплитуды переменного тока в антенне, т. е. от мощности электрических колебаний в антенне.
Широкое распространение имеет несимметричный вибратор. Он представляет собой одну половину симметричной антенны, а другая заменена шасси приемника, корпусом радиостанции, корпусом автомобиля или противовесом.
Ток максимален в основании несимметричной антенны, а на конце равен нулю. Напряжение максимально на конце, а в основании равно нулю.
Эта антенна еще называется четвертьволновой потому что резонанс будет в том случае если ее длина будет равна четверти длины волны принимаемого сигнала.
Распространение радиоволн
Электромагнитными волнами или радиоволнами называется совокупность электрических и магнитных полей распространяющихся в пространстве.
Радиоволны делятся на диапазоны:
ДВ- до 100 кГц, 30-100 кГц;
СВ- 100 кГц-1500 кГц;
КВ- 6 мГц- 30 мГц;
УКВ- свыше 30 мГц.
Электромагнитные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости света (С=300000 км/сек).
В отличие от звуковых электромагнитные волны могут распространяться и в безвоздушном пространстве, например в космосе. При этом они теряют часть своей энергии и постепенно затухают. Степень затухания и величина расстояния, «пройденного» электромагнитными волнами, в значительной степени зависят от длины волны.
Длиной электромагнитной волны λ называют расстояние, на которое она распространяется за период Т одного колебания тока в антенне, т. е. λ=СТ.
Зная длину волны, можно определить частоту колебаний тока в антенне: f= C/λ.
На практике для перевода частоты колебаний в длину волны и длины волны в частоту удобно пользоваться следующими формулами:
При подстановке в эти соотношения длины волны в метрах частота будет измеряться в мегагерцах.
В однородной среде радиоволны распространяются прямолинейно. Однако атмосфера — неоднородная среда. На разных расстояниях от передающей радиостанции давление, температура, плотность, влажность и другие параметры атмосферы различны.
Под действием солнечных и космических излучений из атомов газов, входящих в состав атмосферы, выделяются свободные электроны, а атомы превращаются в положительные ионы. Этот процесс называют ионизацией. Больше всего ионов содержится в верхнем слое атмосферы — ионосфере, находящейся на расстоянии 50. 80 км от поверхности Земли. Скорость распространения радиоволн в средах с разными электрическими свойствами неодинакова. Это приводит к тому, что при переходе из одной среды в другую они преломляются, т. е. изменяется направление распространения радиоволн.
Радиоволны, излучаемые антенной, распространяются вдоль земной поверхности (поверхностные волны) и под углом к горизонту (пространственные волны).
Поверхностные радиоволны хорошо огибают предметы, если размеры последних меньше длины волны. При приеме сигналов радиостанций, работающих в длинноволновом диапазоне, в основном используется энергия поверхностных волн. Но энергия длинных поверхностных волн поглощается поверхностью Земли, поэтому по мере удаления от станции громкость приема ее передач уменьшается вплоть до полного исчезновения. Для увеличения дальности действия такой радиостанции повышают мощность ее передатчика.
Средние волны хуже огибают различные неровности земной поверхности и сильнее ею поглощаются. В связи с этим при одинаковых мощностях передатчиков расстояние, на котором осуществляется уверенный прием передач длинноволновой радиостанции, больше, чем средневолновой.
Основным достоинством поверхностных радиоволн является то, что в пределах их действия обеспечивается устойчивая радиосвязь.
Не вся энергия электромагнитных волн, излучаемых антенной радиостанции, переносится поверхностными радиоволнами, часть ее создает пространственные радиоволны, которые, достигнув слоя ионосферы, преломляются в сторону Земли. Степень преломления зависит от плотности ионизированных атомов газа, угла падения пространственной волны и ее длины: чем длиннее радиоволна, тем сильнее она преломляется.
Пространственные радиоволны длинноволнового диапазона преломляются в нижних слоях ионосферы, и направление их распространения в этих слоях изменяется настолько, что они снова направляются к Земле, как бы отразившись от ионосферы. Пространственные радиоволны могут попасть в зону, куда не доходят поверхностные радиоволны. Благодаря этому можно слушать передачи радиостанции, работающей в ДВ диапазоне, в районе, которого не достигают поверхностные радиоволны. Между зонами приема поверхностных и пространственных радиоволн находится зона, в которой прием сигнала работающей радиостанции отсутствует. Ее называют «мертвой» зоной, или зоной молчания.
Пространственные радиоволны СВ диапазона глубже проникают в ионосферу, чем длинные волны, и вследствие этого происходит их более сильное затухание. Днем оно настолько значительное, что радиосвязь в СВ диапазоне можно осуществлять лишь с помощью поверхностных волн. С заходом солнца ионизация атомов газа уменьшается, ослабляется и затухание пространственных волн. Вот почему ночью СВ диапазон почти полностью «забит» работающими радиостанциями, а днем в этом диапазоне слышны лишь близко расположенные или мощные радиостанции.
Поверхностные волны коротковолнового диапазона затухают интенсивнее, чем средние волны. Поэтому радиосвязь с пунктами, расположенными на больших расстояниях, осуществляется на KB с помощью пространственных волн, благодаря их многократному преломлению в ионосфере. Проникнув в ионосферу, короткие волны могут пройти в ней значительное расстояние без заметного затухания и вернуться обратно на Землю за тысячи километров от радиостанции или, обогнув Землю, быть принятыми в месте расположения радиостанции. Недостатком коротких волн является наличие зон молчания. Кроме того, непостоянство свойств ионосферы в течение суток (например, вследствие изменения солнечной активности), времен года не оставляет неизменной степень преломления пространственной радиоволны. Это приводит к изменению границ зоны приема пространственной волны и зоны молчания. При работе на KB наблюдаются также «замирания» радиоволн: громкость радиопередачи уменьшается и может даже полностью исчезнуть.
Через некоторое время она снова появляется и увеличивается до уровня нормальной.
Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы, а проходят через нее. Поэтому радиосвязь на УКВ возможна только с помощью поверхностных волн.
Можно считать, что УКВ вблизи земной поверхности распространяются прямолинейно, т. е. в пределах прямой видимости. Однако неоднородность атмосферы приводит к тому, что УКВ распространяются несколько дальше прямой видимости. В некоторых случаях радиоволны, излучаемые под малым углом к горизонту, преломляются так, что снова попадают на Землю, отражаются от нее, затем, отразившись от нижних слоев атмосферы, опять попадают на Землю и т. д.
Область, в которой происходит описанное явление, образует так называемый волноводный канал. Дальность радиосвязи в таком случае может в десятки раз превышать дальность прямой видимости. Этим явлением объясняются случаи сверхдальнего приема радио и телепередач.
Чтобы увеличить дальность радиосвязи на УКВ, необходимо увеличить дальность прямой видимости. Для этого передающую и приемную антенны устанавливают как можно выше. Так как УКВ более сильно затухают в атмосфере, для увеличения расстояния их распространения следует увеличивать мощность передатчика.
Дальность радиопередач можно значительно увеличить, используя искусственные спутники Земли, которые принимают УКВ, усиливают их и снова излучают на Землю.