§ 56. Вибратор и антенны

В открытой цепи — вибраторе — заряды располагаются не только на обкладках, а на всем проводе вибратора. Наличие на концах вибратора каких-либо обкладок — пластин, шаров и т. п. — вообще не обязательно. Вибратор может представлять собой просто прямолинейный провод. Зарядив вибратор так, чтобы заряды распределялись по его длине неравномерно, мы создадим между отдельными участками вибратора электрическое поле, под действием которого начнется движение зарядов и возникнут электрические колебания. Каким образом можно осуществить такую неравномерную зарядку вибратора, мы рассмотрим ниже (§ 57).

При электрических колебаниях заряды скапливаются с наибольшей плотностью на концах вибратора, а в средней его точке плотность зарядов всегда равна нулю (рис. 116). При таком неравномерном распределении зарядов вибратор нельзя охарактеризовать какой-либо емкостью , сосредоточенной на участке, небольшом по сравнению с длиной волны, создаваемой вибратором, как это можно было сделать для конденсатора в колебательном контуре.

Рис. 116. Плотность зарядов на вибраторе показана густотой значков + и - , а кроме того, длиной отрезков отложенных перпендикулярно к вибратору (плюс вправо, минус влево)

Ток тоже не одинаков в различных сечениях вибратора. Когда заряды перетекают из одной половины вибратора в другую, они, конечно, останавливаются у концов вибратора, так что на этих концах ток всегда равен нулю. В средней части вибратора ток наибольший (рис. 117). Такую цепь, в которой ток различен в разных сечениях провода, нельзя охарактеризовать и какой-либо индуктивностью , сосредоточенной на небольшом участке, как это делается для катушки индуктивности в контуре, рассмотренном в §§ 27 и 28. Таким образом, формула Томсона, определяющая собственную частоту колебаний в контуре, к вибратору неприменима. Как же найти собственную частоту электрических колебаний в вибраторе? В этом нам поможет уже рассмотренная нами задача о колебании струны.

Рис. 117. Ток в вибраторе достигает наибольшего значения в середине и равен нулю на концах

Мы видели, что с точки зрения учения о колебаниях качания маятника и электрические колебания в контуре представляют собой родственные явления (§ 28). Различно то, что колеблется (в одном случае маятник, в другом — заряды в контуре), но закономерности колебаний, т. е. то, как происходят колебания, в обоих случаях одинаковы. Подобно этому и электрические колебания в прямолинейном вибраторе аналогичны колебаниям струны или столба воздуха в трубе.

Для струны мы тоже не могли воспользоваться формулами, выведенными для колебаний пружинного маятника.

Массу струны нельзя считать сосредоточенной в одном малом участке (подобно массе груза у маятника), а упругость струны — сосредоточенной в другом участке (подобно пружине у маятника). В случае струны и масса, и упругость распределены по всей ее длине. Совершенно так же и в вибраторе емкость и индуктивность распределены по всей его длине, в отличие от томсоновского контура, у которого емкость сосредоточена в конденсаторе, а индуктивность — в катушке.

В соответствии с этим и закономерности электрических колебаний в вибраторе оказываются такими же, как закономерности механических колебаний струны. Нетрудно заметить, что распределение тока в вибраторе (рис. 117) в точности повторяет распределение амплитуды колебаний у закрепленной с обоих концов струны (рис. 99, а). Распределение же заряда на вибраторе (рис. 116) такое же, как распределение амплитуды колебаний в столбе воздуха в случае трубы, открытой с обоих концов (рис. 107, а). Мы можем заключить отсюда, что колебания в вибраторе суть не что иное, как стоячая волна тока и заряда. При этом в центре вибратора находится узел колебаний заряда и пучность тока, а на концах вибратора, наоборот, — узлы тока и пучности заряда. Таким образом, на вибраторе укладывается половина длины волны, т. е. длина вибратора

.

Но длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний формулой , где  — скорость распространения электромагнитных волн. Подставляя это выражение  в предыдущую формулу, мы получаем следующее простое выражение для собственной частоты вибратора:

.

Это — основная (наиболее низкая) собственная частота. Так же, как и у струны, в вибраторе могут происходить колебания на обертонах, когда на его длине укладывается две, три, четыре и т. д. полуволны. Частота этих обертонов соответственно в два, три, четыре и т. д. раза выше .

Рис. 118 поясняет, как протекают колебания тока и заряда во времени. На рис. 118, а вибратор показан в момент времени, когда разноименные заряды на обеих его половинах наибольшие. В этот момент электрическое поле вблизи вибратора наибольшее, а магнитного поля нет, так как нет тока. С этого момента начинается перетекание зарядов от + к —, т. е. возникает ток, который разряжает вибратор (рис. 118, б). Ток все усиливается (вместе с ним нарастает магнитное поле) и через четверть периода достигает максимума. Ток все усиливается (вместе с ним нарастает магнитное поле) и через четверть периода достигает максимума. К этому моменту вибратор полностью разряжен и электричество поля вблизи вибратора нет (рис. 118, в). Продолжая течь в том же направлении (на рисунке – сверху вниз), ток перезаряжает вибратор: положительный заряд накапливается внизу, отрицательный – наверху (рис. 118, г). Ток постепенно ослабевает и к концу второй четверти периода снова доходит до нуля. Тока (и магнитного поля) в этот момент опять нет, а заряды (и электрическое поле) достигают наибольшего значения, но с измененным знаком, — вибратор перезарядился (рис. 118, д), В следующие полпериода описанный процесс повторяется, но с противоположным направлением тока (рис. 118, е — з). В результате к концу периода восстанавливается исходное состояние, показанное на рис. 118, а. Таким образом, колебания заряда и тока в вибраторе происходят так же, как колебания заряда и тока в электрическом контуре (§ 27). Различие состоит лишь в том, что в случае контура электрическое поле (а следовательно, электрическую энергию) можно было считать сосредоточенным в конденсаторе, а магнитное поле (и магнитную энергию) — в катушке, тогда как в случае вибратора электрическое и магнитное поля распределены вокруг всего вибратора. Так же обстоит дело при переходе от колебаний пружинного маятника к струне; в маятнике потенциальная энергия сосредоточена в деформированной пружине, а кинетическая — в движущемся грузе. В струне же как та, так и другая энергии распределены по всей струне.

Рис. 118. Колебания заряда и тока в вибраторе

Мы видим, что в любой момент времени ток в вибраторе хотя и различен по силе в разных точках, но во всех точках течет в одну сторону. Здесь нет участков с противофазными колебаниями тока. Далее, колебания зарядов на обеих половинках вибратора противофазны (так как заряды разноименны), но зато концы вибратора, на которых находятся пучности зарядов, уже не близки друг к другу, а разведены на расстояние в полволны. Именно по этим причинам вибратор (и вообще открытые цепи — антенны) излучает электромагнитные волны гораздо лучше, чем колебательный контур.130

Отсюда ясно, почему любой современный радиопередатчик обязательно содержит, кроме генератора незатухающих электрических колебаний, еще и ту или иную незамкнутую проволочную цепь — антенну. Антенна и является самим излучателем волн, играя такую же роль, как резонансный ящик для камертона или дека музыкального инструмента для струны. В зависимости от назначения передатчика различны схемы генераторов, их мощности, длина волны, устройство антенны и т.п., но существо дела не меняется: во всяком передатчике имеется генератор незатухающих колебаний, связанный с открытой излучающей целью – антенной (§§ 60, 61).

Излучаемая антенной энергия пропорциональна мощности электрических колебаний в ней, т.е. квадрату амплитуды этих колебаний.

Естественно поэтому увеличивать амплитуду колебаний в антенне, воспользовавшись для этого настройкой антенны в резонанс на частоту генератора. В случае простого вибратора для этого достаточно сделать его длину равной половине длины волны, соответствующей частоте генератора. Но этот способ пригоден, очевидно, лишь до тех пор, пока речь идет о не слишком длинных волнах. Для волн в десятки метров и более приходится идти на то, что антенна короче полуволны, а настройку антенны в резонанс осуществлять включением в антенну дополнительной катушки индуктивности. Одновременно эта катушка может быть использована для связи антенны с генератором (рис. 119). Заземление нижнего конца антенны также равносильно ее удлинению (примерно вдвое). Поэтому заземление антенн широко применяется для волн более длинных, чем метровые.

Рис. 119. Схема радиопередатчика: антенна1 индуктивно связана через «удлинительную» катушку 2 с колебательным контуром 3 генератора. Нижний конец антенны заземлен

Придавая антеннам различную форму, можно получать от них направленное излучение. Так, например, простая вертикальная излучает по всем горизонтальным направлениям одинаково (рис.120). Антенна же, состоящая из двух вертикальных проводов, колебания в которых совершаются в одинаковой фазе, а расстояние, между которыми равно полуволне, вследствие интерференции сильно излучает в направлениях, перпендикулярных к плоскости проводов (рис. 121), и практически не излучает в их плоскости.

Рис. 120. Излучение простой вертикальной антенны во все стороны одинаково

Рис. 121. Двойная синфазная антенна сильно излучает по направлениям  и  и не излучает по направлениям  и