Физика для всех. Книга 3: Электроны.

Александр Исаакович Китайгородский

ФИЗИКА ДЛЯ ВСЕХ

Книга 3: Электроны

* 1979 *

DJVU

От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..

Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..

ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) Радиоволны, путешествующие в космосе, будут отклоняться от прямолинейного направления — отражаться, рассеиваться, преломляться — в том случае, если на их пути встретятся препятствия, соизмеримые с длиной волны.
Наибольший интерес представляет-для нас поведение волн, идущих вблизи земной поверхности. В каждом отдельном случае картина может быть весьма своеобразной, в зависимости от того, какова длина волны.
Кардинальную роль играют электрические свойства земли и атмосферы. Если поверхность способа проводить т.ок, то она «не отпускает» от себя радиоволны. Электрические силовые линии электромагнитного поля подходят к металлу (шире — к любому проводнику) под прямым углом.
Теперь представьте себе, что радиопередача происходит вблизи морской поверхности. Морская вода содержит растворенные соли, т. е. является электролитом. Морская вода — превосходный проводник тока. Поэтому она «держит» радйоволну, заставляет ее двигаться вдоль поверхности моря.
Но и равнинная, а также лесистая местности являются хорошими проводниками для токов не слишком высокой частоты. Иными словами, для длинных волн лес й равнина ведут себя как металл.
Поэтому длинные волны удерживаются всей земной поверхностью и способны обогнуть земной шар. Кстати говоря, этим способом можно определить скорость радиоволн. Радиотехникам известно, что на то, чтобы обогнуть земной шар, радиоволна затрачивает 0,13 секунды. А как же горы? Ну что же, для длинных волн они не столь уж высоки, и радиоволна длиной в километр более или менее способна обогнуть гору.
Что же касается коротких длин волн, то возможность дальнего радиоприема на этих волнах -обязана наличию над землей ионосферы. Солнечные лучи обладают способностью разрушать молекулы воздуха в верхних областях атмосферы. Молекулы превращаются в ионы и на расстояниях 100—300 км от Земли образуют несколько заряженных слоев. Так что для коротких длин волн пространство, в котором движется волна,— это слой диэлектрика, зажатого между двумя проводящими поверхностями.
Поскольку равнинная й лесистая поверхности не являются хорошими проводниками для коротких волн, то они не способны их удержать. Короткие волны отправляются в свободное путешествие, но натыкаются на ионосферу, которая отражает их, как поверхность металла.
Ионизация ионосферы неоднородна и, конечно, различна днем и ночью. Поэтому пути коротких радиог волн могут быть самыми различными. Они могут добраться до вашего радиоприемника и после многократных отражений Зейлей и ионосферой. Судьба короткой волны зависит от того, под каким углом попадет она на ионосферный слой. Если этот угол близок к прямому, то отражения не произойдет волна уйдет в мировое пространство. Но чаще имеет место полное внутреннее отражение и волна возвращается на Землю.
Для ультракоротких волн ионосфера прозрачна. Поэтому на этих длинах волн возможен радиоприем в пределах прямой видимости или с помощью спутников. Направляя волну на спутник, -мы можем ловить отраженные от него сигналы на огромных расстояниях.
Спутники открыли новую эпоху в технике радиосвязи, обеспечив возможность радиоприема и телевизионного приема на ультракоротких полнах.
Интересные возможности предоставляет передача на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Волны этой длины могут поглощаться атмосферой. Но, оказывается, имеются «окна», и, подобрав нужным образом длину волны, можйо использовать волны, залезающие в оптический диапазон. Ну, а достоинства этих волн нам известны: в малый волновой интервал можно «вложить» огромное число неперекры-вающихся передач.
РАДИОЛОКАЦИЯ
Принципы радиолокации достаточно просты. Посыл аом сигнал, он отражается от интересующего нас объекта и возвращается обратно. Если объект находится на расстоянии 150 м, то сигнал возвратится через 1 мкс, если на расстоянии 150 км, то через 1 мс. Направление, в котором посылается сигнал, является направлением линии, на которой находился самолет, ракета или автомобиль в тот момент, когда его встретил радиолуч.
Понятно, что радиоволна должна быть остронаправленной, угол раствора, в котором сосредотачивается основная часть мощности луча, должен быть порядка одного градуса.
Принцип действительно несложен, но техника далеко не проста. Начнем с того, что высокие требования предъявляются к генератору. В метровой и дециметровом диапазоне (более длинные волны явно не годятся) применяют ламповые генераторы, в сантиметровом диапазоне — клистроны и магнетроны.
Наиболее естественным представляется импульсный метод работы. В пространство периодически посыла? ются кратковременные импульсы. Длительность импульса в современных радиолокационных станциях лежит в пределах от 0,1 до 10 мкс. Частота повторения импульсов должна быть выбрана так, чтобы отраженный сигнал успел придти во время паузы.
Максимальная дальность, на которой можно обнаружить самолет и ракету, ограничена лишь условием прямой видимости. Читателю несомненно известно, что современные радиолокаторы способны принять сигналы, отраженные от любых планет нашей Солнечной системы. Разумеется, при этом должны использоваться волны, беспрепятственно проходящие через ионосферу. Удачно, что укорочение длины волны и непосредственно влияет на увеличение/ дальности локационного видения, поскольку она пропорциональна не только энергии посланного импульса, но и частоте излучения.
На экране осциллографа (электронно-лучевой трубки) можно видеть всплески от посланного и отраженного импульсов. Если самолет приближается, то отраженный сигнал будет сдвигаться в сторону посланного.
Радиолокаторы не обязательно должны работать в импульсном режиме.
Величины частот определяются радиотехническими методами весьма точно. Настроившись в резонанс, мы рпределим vnp и по ее значению рассчитаем скорость. Если, скажем, частота посланного сигнада равняется 109 Гц, а самолет или ракета приближаются к антенне локатора со скоростью 1000 км/ч, то принимаемая частота будет больше передающей на величину 1850 Гц.
Отражение радиолуча от самолета, ракеты, теплохода или автомашины — это не отражение от зеркала. Длины волн соизмеримы или существенно меньше размеров отражающего объекта, имеющего сложнуюформу. При отражении от разных точек объекта лучи будут интерферировать между собой и рассеиваться в стороны. Оба эти явления приведут к тому, что эффективная отражающая поверхность объекта будет существенно отличаться от его истинной поверхности. Расчет здесь сложен, и лишь опыт работника, пользующегося локатором, помогает ему сказать, что за предмет встретился на пути луча.
Вы, конёчно, видели радиолокационные антенны — проволочные сферические зеркала, которые все время находятся в движении — они обозревают пространство. Можно заставить .зеркало локатора совершать самые различные движения, например так, чтоб& луч двигался, исчерчивая пространство строчками или окружностями. При такой работе можно не только определить дальность самолета, во и следить за траекторией его движения.
Этим способом ведут самолет на посадку в условиях отсутствия видимости. Такая задача может быть возложена и на человека, и на автомат.
Радиолокатор можно «обмануть». Во-первых, объект можно закрыть материалами, которые поглощают радиоволны. Для этой цели годятся угольная пыль, каучук. При этом вдобавок, чтобы уменьшить коэффициент отражения, покрытия выполняют гофрированными, заставляя таким методом львиную долю излучения рассеиваться беспорядочно во все стороны.
Если с самолета сбрасывать пачками полоски алю? миниевой фольги или металлизированного волокна, то радиолокатор будет полностью дезориентирован. Впервые этот прием применили англичане еще во время второй мировой войны. Наконец, третий способ состоит в том, чтобы заполнить эфир ложными радиосигналами.
Радиолокация — интереснейший раздел техники, находящий широкое применение для многих мирных целей и без которого сейчас невоэможно мыслить сред- . ства обороны.
Соперником радиолокатора является лазер. Принципы локации объектов с помощью лазера не отличаются от описанных выше.
Радиолокационные принципы лежат в основе связи между космическими кораблями и Землей. Радиотелескопы расположены так, чтобы не терять корабль из вида. Их антенны имеют огромные размеры до сотен метров. Нужда в таких больших антеннах объясняется необходимостью послать очень сильный сигнал и принять слабый сигнал от радиопередатчика. Естественно, что очень важно иметь узкий радиолуч. Если антенна работает на частоте 2,2 миллиарда колебаний в секунду (длина волны около 1 см), то на расстоянии до Луны луч размывается всего лишь до диаметра в 1000 км. Правда, когда луч доберется до Марса (300 миллионов километров), то его диаметр уже будет равен 700 000 км
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
Поскольку 99 читателей из 100 ежедневно проводят час-другой около телевизора, было бы несправедливо не сказать несколько слов об этом великом изобретении. Сейчас речь пойдет лишь о принципах телевизионной передачи.
Идея передачи изображения на расстояние сводится к следующему. Передаваемое изображение разбивается на мелкие, квадраты. Физиолог подскажет, каков должен быть размер квадрата, чтобы глаз перестал замечать изменения яркости внутри этого изображения. Световая энергия каждого участка изображения может быть при помощи фотоэлектрического эффекта преобразована в электрический сигнал. Надо придумать способ, каким образом считывать эти сигналы. Конечно, это проводится в строго определенной последователь ности, как при чтении книги. Эти электрические сигналы накладываются на несущую электромагнитную волну совершенно таким же способом, как это делается при радиопередаче. И далее события разыгрываются вполне тождественно радиосвязи. Модулированные колебания усиливаются и детектируются. Телевизор должен преобразовать электрические импульсы в видимое изображение.
Передающие телевизионные трубки носят название супериконоскопа, суперортикона и видекона. С помощью линзы изображение проектируется на фотокатод. Наиболее распространенными фотокатодами являются кислородно-цезиевый и сурьмяно-цезиевый. Фотокатод монтируется в вакуумном баллоне вместе с фотоанодом.
- В принципе можно было бы передавать изображение, поочередно проектируя световой поток от каждого элемента изображения. В этом случае фототок должен протекать только в течение короткого времени, пока длится передача каждого элемента изображения. Однако такая работа была бы неудобна, и в передающей трубке, используется не один фотоэлемент, а большое их количество, равное числу элементов, на которое разлагается передаваемое изображение. Эта приемная пластинка называется мишенью и выполняется в виде мозаики.
Мозаика — это тонкая пластинка слюды, с одной стороны которой нанесено большое количество изолированных крупинок серебра, покрытых окисью цезия. Каждое зернышко — фотоэлемент С другой стороны слюдяной пластинки нанесена металлическая пленка. Между каждым зерном мозаики и металлом как бы образуется маленький конденсатор, который заряжается электронами, выбитыми из катода. Ясно, что заряд каждого конденсатора будет пропорционален яркости соответствующего места передаваемого изображения.
Таким образом, на металлической пластинке воз-, никает как бы скрытое электрическое изображение предмета. Как же снять его с этой пластинки? С помощью электронного луча,, который надо заставить
обегать пластинку так, как глаз скользит по строкам книги. Электронный луч играет роль ключа, замыкающего на мгновение электрическую репь через микроконденсатор. Ток в этой мгновенно4 созданной цепи будет однозначно связан о яркостью изображения.
Каждый сигнал может и должен быть усилен во много раз обычными способами, применяемыми в радиотехнике. При передаче изображения глаз не должен замечать того, что электронный луч последовательно обегает разные точки светящегося экрана. Полное изображение, полученное на экране приемной трубки за один цикл движения электронного луча, называется кадром. Необходимо создать такую частоту смены кадров, чтобы за счет инерционности зрения не наблюдалось мелькание яркости.
Какую же надо взять частоту смены кадров? Выбрать надо число, связанное с частотой тока в сети. Дело в том, что пульсирующее напряжение, которое приложено к сетке электронно-лучевой трубки, создает на экране темные и светлые полосы. Если частота смены кадров будет равна или кратна частоте сети, то только в этом случае полосы будут неподвижны и незаметны. Слитность движения возникает при частоте смены кадров около 20 Гц, поэтому частота смены кадров в телевидении принята 25 Гц, но при этой частоте мелькание яркости еще заметно. Брать частоту кадров 50 Гц нежелательно, поэтому техники прибегли к следующему занятному приему: они воспользовались чересстрочной разверткой: Оставлена частота 25 Гц, но электронный луч прочерчивает сначала нечетные строки, а затем четные. Частота смены полукадров становится-равной 50 Гц и мелькание яркости изображения становится незаметным.
Частоты кадровой и строчной разверток должны быть строго синхронизированы. Здесь нет места входить в технические детали, поэтому мы не станем объяснять, что эта синхронизация требует, чтобы число строк было нечетным и состояло из нескольких целых сомножителей. В нашей стране принято делить кадр на 625 ст|)ок, т. е. 54; поскольку в одну секунду сменяется 25 кадров, частота строк становится 15 625 Гц. Из этого условия вытекает ширина спектра частот телевизионного сигнала.

Александр Исаакович Китайгородский