|
||||||
|
\главная\начинающему\... |
|
||||||
|
\главная\начинающему\... |
КВ приемник мирового уровня –это очень просто
Глава 2. Волны электрического моря
“Н”: Ну, поздравляю с выздоровлением. А теперь, может, перейдем к электронике? Кстати, объясни мне разницу между электротехникой и электроникой. Она вообще существует?
“А”: За поздравление благодарю! Но ты задал интересный вопрос. Не претендуя на академическую формулировку, я отвечу так, Спец рассказывал, что в ВУЗ - ах по электронике ключевой является дисциплина под названием “Радиотехнические цепи и сигналы”. Так вот: электротехника — это просто наука о функционировании и методах расчета различных электрических цепей, которые, даже будучи достаточно сложными, способны нормально функционировать сами по себе. Например, лампочка, электромотор, трансформатор и т.д. Но если цепь способна самостоятельно реагировать на внешнее воздействие, имеющее в той или иной степени электрический характер (то есть на СИГНАЛ ) — то это уже электроника!
“Н”: Так, может, для экономии времени перейдем сразу к рассмотрению сигналов?
“А”: Это уже будет совсем в стиле О. Бендера — “потеря качества при выигрыше темпа!”.
Нет Незнайкин, электроника для успешного ее усвоения, требует определенной последовательности изложения. А потому возвращаемся к электрическим цепям. Но уже переменного тока.
“Н”: Объясни мне толково и вразумительно — что такое переменный ток?
“А”: Переменный ток имеет (что естественно) свою причину. И эта причина — переменное напряжение! То есть это такое напряжение, величина и полярность которого имеют периодический характер в функции от времени. Да вот, посмотри на рисунок (рис. 2.1).
На этом графике представлены НЕ ВСЕ, но многие важнейшие характеристики переменного напряжения. Заметь, что зависимо! амплитуды Ua переменного напряжения от времени t носит СИНУСОИДАЛЬНЫЙ характер. То есть мы имеем дело с колебательным, ВОЛНОВЫМ процессом.
“Н”: А можно сказать, что этот волновой процесс состоит из положительных и отрицательных полуволн, отмеченных на рисунке, соответствено плюсами и минусами в кружочках?
“А”: Безусловно, но обрати внимание на характер изменения амплитуд в течение каждого ПЕРИОДА, то есть временного промежутка, вмещающее в себе одну отрицательную полуволну и одну положительную или, иначе говоря, ОДИН ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ПОЛУПЕРИОД и ОДИН ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОЛУПЕРИОД — амплитуда переменного напряжение проходит через НУЛЬ не менее (но и не более) ТРЕХ РАЗ!
Физический смысл этого такой. В точке 0 (см. рис. 2.1) никакого напряжения, а значит и тока в проводнике нет! Затем появляется ПОЛОЖ] ТЕЛЬНОЕ напряжение, достигающее своего максимума через промежуток времени tr
“Н”: Этот момент на временной оси соответствует точке А.
“А”: Верно! После этого, в течение временного промежутка t2 напряжем плавно уменьшается до нуля.
“Н”: ...Затем оно возникает снова, но полярность его уже ОТРИЦАТЕЛЬНА!
“А”: Максимум отрицательной амплитуды достигается в точке Б. Затем следует снова плавное уменьшение до нуля (промежуток времени t4).
“Н”: Судя по рисунку, весь процесс занимает временной промежуток, равный: t1 + t2 + t3 +t4
“А”: Естественно, или просто — Т! Это и есть ПЕРИОД!
“Н”: А величина обратная периоду называется ЧАСТОТА?
“А”: Совершенно верно! Частота показывает, сколько раз в течение ОДНОЙ СЕКУНДЫ переменное напряжение изменило свою полярность! Или: сколько периодов (циклов) переменное напряжение претерпело за одну секунду.
“Н”: Понял! Но почему ты ранее оговорил, что на графике отображены НЕ ВСЕ характеристики переменного напряжения?
“А”: Нарисуем новый рисунок (рис. 2.2). На нем изображен ТОЛЬКО один период...
“Н”: Но я сразу вижу отличие! Что такое U..? И что это за участки, покрытые штриховкой?
“А”: Да в них-то все и дело!.. Заодно отметим равенство двух величин: Uа+ и Uа- Оно означает, что амплитудные значения напряжения в положительный и отрицательный полупериоды РАВНЫ ПО МОДУЛЮ!
“Н”: Ясно! А заштрихованные части?
“А”: Заштрихованная часть положительного полупериода РАВНА по площади заштрихованной части прямоугольника, в который “вписан” этот полупериод.
“Н”: Что это означает?
“А”: Дело в том, что новый прямоугольник, образованный произведением величин Uэфф и Т/2, по площади ТОЧНО РАВЕН положительному полупериоду! Иными словами, переменное напряжение, имеющее амплитуду Ua, проходя по резистору R выделяет столько же теплоты, сколько ее выделяет за то же время постоянное напряжение, величина которого равна Uэфф!
“Н”: То есть это означает, что для оказания одинакового теплового эффекта, переменное напряжение всегда должно быть больше по максимальной амплитуде, чем постоянное?
“А”: Именно так! Поэтому, когда ты слышишь, что напряжение в электрической сети равно 220 вольт, то не забывай, что речь идет об эффективном напряжении — Uэфф!
“Н”: А какое соотношение между максимальным амплитудным и эффективным напряжениями?
“А”: Вот оно:
U эфф. = 0,707х U,
“Н”: Отлично, с переменным напряжением разобрались! Все ясно!
“А”: Прошу прощения, сэр! И что же Вам так ясно?
“Н”: Это элементарно, Ватсон! Взгляни на рис. 2.3. Вот эта вторая синусоида и есть иллюстрация переменного тока. На графике представлена зависимость амплитуды переменного тока от амплитуды переменного напряжения.
“А”: ...И все?
“Н”: “Чего же боле... Что я могу еще сказать?”
“А”: Ты, Незнайкин, нарисовал совершенно правильный график! И рассуждал ты при этом достаточно верно, но до определенного момента. А вот дальше...
“Н”: Ну, ты говоришь прямо-таки загадками! Здесь рядом я пририсовал небольшую принципиальную схемку. Я даже обозначил на ней направление течения тока в положительный и в отрицательный полупериоды!
“А”: Действительно, в моменты, когда напряжение на электродах источника (генератора) переменного напряжения будет равно НУЛЮ, то и ток будет равен НУЛЮ!
“Н”: А когда на электродах будет максимальное напряжение, то и ток будет МАКСИМАЛЬНЫМ!
Так что же тут неправильного?
“А”: Не кипятись, ты не чайник! Остынь! Хотя, если исходить из лексикона компьютерщиков, то ты именно ЧАЙНИК — т.е. НАЧИНАЮЩИЙ!
Вспомни лучше знаменитый анекдот про человека, который искал потерянное золотое кольцо ночью рядом с фонарем. Хотя потерял его совершенно в другом месте! Помнишь его главный аргумент в отношении неадекватного места поиска?
“Н”: Он сказал, что ищет кольцо под фонарем потому, что здесь светлее искать! Но при чем эта история к нашим делам?...
“А”: Так ведь ты сделал сейчас то же самое, дружище Незнайкин!
Ты рассмотрел случай, когда в цепи переменного тока находится АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ!
“Н”: ...И то слава Богу! А что же там может находиться еще?
“А”: А вот хотя бы такая штуковина, которую я сейчас изобразил (рис. 2.4).
“Н”: Я видел мельком на принципиальных схемах такие изображения во множестве. Но “видеть” и “знать” — это ведь не одно и то же!...
“А”: ...Рядом с изображением я проставил английскую букву С! Этот элемент — один из важнейших в электронике. И называется CAPASITOR - КОНДЕНСАТОР!
“Н”: А как он устроен?
“А”: Расположи две металлические пластинки на некотором расстоянии друг от друга. Подсоедини к каждой из них металлическую проволоку. Получишь элементарный конденсатор!
“Н”: А что он нам может дать?
“А”: Конденсатор — вещь замечательная! Соберем простейшую цепь , (рис. 2.5), содержащую конденсатор. Замкнем переключатель S. На обкладках (пластинах) конденсатора установится тот же потенциал, что и на батарейке. А ток будет течь?
“Н”: По-моему, нет! Ведь между пластинами конденсатора — обрыв! Разве нет?
“А”: Не совсем... Дополним нашу схемку! Здесь я изобразил те самые пластины, снабдив их электродами. Как видишь, расстояние между ними равно r.
Площадь каждой пластины равна D.
А теперь скажи мне, что это за пунктирные стрелки я изобразил?
“Н”: Пока что не догадываюсь.
“А”: Это ни что иное, как СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ! А вот теперь, Незнайкин, внимание. То, что я тебе сейчас расскажу, в школьных учебниках не упоминается.
“Н”: Это Спец рассказал?
“А”: Да, он обратил мое внимание на тот факт, что в конденсаторе имеет место удивительный физический эффект! Смотри, пластина А присоединена к отрицательному электроду. Это означает, что в объеме кристаллической решетки пластины А “растекаются” ИЗБЫТОЧНЫЕ электроны, поступающие на нее от МИНУСА батарейки.
Но, подсоединенная к ПЛЮСУ пластина В оказывает на них удивительное влияние! Электроны, накапливающиеся на пластине А, как-бы перестают “замечать” друг-друга! Их взаимоотталкивание становится минимальным!
“Н”: Как это можно объяснить?
“А”: А так, что сферообразные электростатические поля электронов преобразуются в нитевидные! Теперь они достигают пограничного слоя пластины В. По масштабам микромира, пластина В находится на колоссальном расстоянии от пластины А!
Эти электростатические поля электронов пластины А воздействуют через межпластинчатый промежуток с атомами кристаллической решетки пластины Б, которые перед этим “потеряли” свои электроны.
“Н”: Поскольку они ушли с пластины В к ПЛЮСУ батарейки!...
“А”: Следовательно, при данном напряжении U “плотность” электронов на пластине А высока. На этой пластине размещается электрический заряд, который при определенных условиях способен ... преобразоваться в ток!
Но и это еще не все! Представь себе, что мы поместили эти пластины в космическом пространстве, иначе говоря — в вакууме! Тогда условно обозначим ПЛОТНОСТЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ, как количество силовых линий, отнесенных к единице площади поверхности. И в случае, если между пластинами А и В — вакуум, примем, что эта плотность равна некоторой условной единице...
“Н”: Не возражаю...
“А”: А теперь вернемся на Землю. Поместим между пластинами А и В листик из слюды. Великолепный изолятор, между прочим! В этом случае плотность электростатического поля возрастает в ДЕВЯТЬ РАЗ!
“Н”: Это предельное значение?
“А”: Нет, это далеко не предел! Есть такой хитрый диэлектрик — ТИТАНАТ БАРИЯ. Так в нем плотность электрического поля возрастает в ДЕСЯТКИ ТЫСЯЧ РАЗ!
“Н”: Ну и дела! Но не припомню, чтобы мне встречалось такое понятие, как плотность электрического поля...
“А”: Потому что это больше физический, а не технический термин. Атакое понятие, как ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ встречал?
“Н”: Да что-то такое слышал.
“А”: Так эти два понятия — синонимы! А вот и формула, которая является основной для расчета емкости конденсатора:
С = 0,0885 * e * S / a
- здесь S — площадь пластин в см2,
- а — расстояние в сантиметрах,
- e — диэлектрическая проницаемость.
“Н”: А нам чем он может помочь? Я имею в виду именно конденсатор?...
“А”: Сейчас... Смотри сюда. Справа я зарисовал уже знакомую нам эпюру (график изменения во времени) напряжения на обкладках конденсатора. А теперь представим себе, как пройдет эпюра токов (рис. 2.6)?
“Н”: А исходить будем из эпюры напряжений?
“А”: Естественно! Итак, рассмотрим участок АВ. В момент А напряжение генератора МАКСИМАЛЬНО. На обкладках конденсатора оно такое же. Но это ведь означает, что все электроны, которые могли быть “втиснуты” источником на одну из пластин — уже там!
“Н”: Конденсатор, иначе говоря — заражен! То есть ток в этот момент... не идет.
“А”: Правильно! Итак, в момент А напряжение на обкладках конденсатора — МАКСИМАЛЬНО, а ток в цепи — МИНИМАЛЕН! А теперь обрати внимание на то, что участок АВ характеризуется еще и тем, что СКОРОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ на конденсаторе от точки А до точки В — постоянно возрастает!
А это соответствует тому, что ток заряда (разряда) постоянно возрастает тоже! В момент В эта скорость — МАКСИМАЛЬНА. Следовательно и ток — МАКСИМАЛЕН. А вот напряжение в момент В равно НУЛЮ!
“Н”: Это удивительный факт! То есть можно сказать, что ток конденсатора отстает от его напряжения?
“А”: Вполне, хотя обычно говорят иначе. А именно, что в конденсаторе ток ОТСТАЕТ ПО ФАЗЕ от напряжения на 90 градусов!
“Н”: Теперь мне понятна разница между резистором и конденсатором!
“А”: Отрадно слышать, но заметь, что если мы УВЕЛИЧИМ частоту генератора, то ОДИН И ТОТ ЖЕ электрический заряд будет заряжать или разряжать конденсатор за МЕНЬШЕЕ ВРЕМЯ!
“Н”: Значит зарядный ток УВЕЛИЧИТСЯ?
“А”: Конечно же! Но удивительно то, что этот ток НЕ ВЫЗЫВАЕТ ТЕПЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ!
“Н”: То есть в идеальном конденсаторе не выделяется электрическая мощность!? А сопротивление конденсатора носит совершенно особый, не имеющий ничего общего с активным сопротивлением характер?
“А”: А разве это не так? Кстати, “давайте не будем” применять по отношению к конденсатору термин — сопротивление!
Электротехники всего мира говорят, что конденсаторы характеризуются РЕАКТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ! И еще - электрической ЕМКОСТЬЮ.
“Н”: А в каких же единицах оценивается эта емкость?
“А”: Основная единица электрической емкости называется ФАРАДА!
Фарада — это такая емкость, при которой для изменения напряжения на пластинах конденсатора на ОДИН вольт, требуется электрический заряд, равный ОДНОМУ КУЛОНУ!
Должен заметить, что это настолько большая емкость, что в обыкновенной электронике она не используется! А теперь, может ты сам распишешь мне более мелкие единицы?
“Н”: Уже пишу;
“А”: Мне вспомнилась история, которая произошла осенью 1944 года во время битвы в Арденнах. Германская армия наносила мощный контрудар по союзникам. Со стороны немцев действовала знаменитая 150 моторизованная бригада. Это были эсэсовцы, переодетые в американскую и английскую форму, хорошо владеющие языком. И сперва они успели нанести союзникам немалый вред, совершая крупные диверсии и нападения в тылу англо-американских войск! А потом их быстро раскусили и обезвредили...
“Н”: Я тащусь — до чего интересно... Но какое отношение это имеет к конденсаторам?
“А”: Я вспомнил эту историю потому, что немцев подвело незнание американского армейского сленга! На автозаправках (а они, естественно, заправлялись американским горючим) диверсанты обращались так: “Петролеум, плиз!” В то время, как сами американцы употребляли словосочетание : “Гас, плиз!”
Не правда ли, мелочь?
“Н”: А причем здесь я?
“А”: Расслабься, Незнайкин! Я никогда не держал тебя за немецкого диверсанта! Но то, что ты написал, сразу подтвердило, что в электронике ты ЧАЙНИК! Хотя ты все написал абсолютно верно!
“Н”: А в чем промашка?
“А”: А в том, что такая единица, как МИЛЛИФАРАДА в электронике не встречается. Хотя конденсаторов подобной емкости в любом приемнике, телевизоре или магнитоле не меньше десятка!
“Н”: Час от часу не легче! “Ваши слова звучат парадоксом”, как выражался Пашка Эмильевич.
“А”: Электроника вообще полна парадоксов! Вразумительно ответить, почему так вышло, я не в состоянии. Но на электрических конденсаторах большой емкости ты не встретишь обозначения, например, ПЯТЬ миллифарад или ДЕСЯТЬ миллифарад. На таких конденсаторах написано:
5000 микрофарад или 10000 микрофарад. Так что о существовании подобного нюанса помни!
“Н”: Спасибо, помнить буду, не забуду! А больше таких простых, но хитрых деталей в электронике нет?
“А”: Как не быть. Вот, например, как ты думаешь, что произойдет, если взять тонкий изолированный медный провод и намотать, скажем, на корпус шариковой ручки? А после этого подключить его концы к генератору переменного напряжения?
“Н” Снова какой-то сюрприз ты мне готовишь? Отвечаю — не знаю! Потому что пока не могу понять, чем, с точки зрения электротехники, отличается просто провод от самого же себя, но только намотанного на ручку, или карандаш, или на гвоздь, или на что-нибудь еще?
“А”: Сюрприз, дорогой Незнайкин, приготовила матушка-Природа, а не я! Кстати, чтобы тебя успокоить, замечу, что свойства провода, намотанного на шариковую ручку, существенно отличаются от свойств того же провода, намотанного на гвоздь!
“Н”: Да не томи душу! Выкладывай, где тут собака зарыта!?
“А”: Прежде всего, запомни, что вокруг проводника, по которому проходит электрический ток, возникает так называемое электромагнитное поле. Которое имеет как электрическую, так и магнитную составляющую.
Но магнитная составляющая у одиночного проводника невелика. Чтобы ее сконцентрировать и необходимо намотать из проволоки катушку... Ты ведь не раз видел подковообразный постоянный магнит?
“Н”: Я вообще часто забавлялся им в детстве! Вещь очень занимательная.
“А”: Согласен... А теперь взгляни на рис. 2.7. Итак, если силовые линии электромагнитного поля одиночного проводника имеют некоторую ПЛОТНОСТЬ, (когда по проводнику течет электрический ток), то если этот провод намотать хотя бы на шариковую ручку, то эта плотность будет возрастать ПРОПОРЦИОНАЛЬНО количеству витков. Ну, а если поменять направление тока, то изменится и магнитная полярность нашего ЭЛЕКТРОМАГНИТА!
“Н”: То, что в этом случае получается электромагнит, я понял! А вот как определяется его полярность?
“А”: Для этого рядом с электромагнитом достаточно разместить компас. И тогда легко видеть, что если при некотором направлении тока электромагнит притянет ЮЖНЫЙ ПОЛЮС стрелки компаса, то достаточно изменить направление тока и ... электромагнит притянет СЕВЕРНЫЙ ПОЛЮС стрелки!
“Н”: То есть направление магнитного поля зависит от направления тока, создающего это поле!
“А”: Конечно! Электромагниты — это основа электродвигателей и реле. Но для нас значительно важнее совсем иные свойства!
Кстати, будем называть провод, намотанный на какой-либо каркас, или просто закрученный в спираль, именем собственным — ИНДУКТИВНОСТЬ!
“Н”: Почему такое странное название?
“А”: Потому что в его основе лежит такое явление, как ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ! Это явление настолько важно для электроники, что хочу рассказать тебе о нем.
В природе существует большое количество явлений, имеющих “обратимый” характер. И в нашем случае, если ток способен создавать магнитное поле вокруг проводника, то и магнитное поле, в свою очередь, должно было бы генерировать ток в проводнике. Например так, как показано ниже (рис. 2.8).
Смотри, Незнайкин, чтобы увеличить эффект, я изобразил проводник, выполненный в виде катушки и обозначенный римской двойкой, который подвергается воздействию магнитного поля, наводимого (индуцированного) катушкой, обозначенной римской единицей.
Как ты думаешь, что произойдет в этом случае?
“Н”: Полагаю, что во вторичной катушке возникает ток 1Г который создаст на резисторе R соответствующее падение напряжения, что немедленно зафиксирует вольтметр V.
“А”: То же самое полагали десятки исследователей XVII и XVIII веков. И жестоко просчитались. Вольтметр не покажет НИЧЕГО.
“Н”: Но почему!?...
“А”: Да потому, что Природа распорядилась так, что ток I2 возникает в вышеприведенной схеме, если мы ... выключили первую цепь, то есть ту часть схемы, которая содержит батарейку, выключатель и электромагнит! Но ток I2 возникает ненадолго. Наблюдатель увидит бросок напряжения, а затем стрелка снова покажет НУЛЬ!
“Н”: Ну, а что произойдет, если снова замкнуть первичную цепь?
“А”: А то же самое! За одним исключением... Бросок напряжения будет иметь ОБРАТНУЮ полярность!
Отсюда следует один из фундаментальнейших выводов — ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ИМЕЮЩЕЕ ПЕРЕМЕННЫЙ ВО ВРЕМЕНИ ХАРАКТЕР, СПОСОБНО ИНДУЦИРОВАТЬ ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ВО ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ, НЕ СВЯЗАННОЙ НЕПОСРЕДСТВЕННО С ПЕРВИЧНОЙ ЦЕПЬЮ!
“Н”: ...Иначе, чем посредством самого этого электромагнитного поля?
“А”: Браво, Незнайкин! Я и хотел, чтобы к этой мысли ты пришел сам! Само явление наведения вторичного тока первичным и носит название ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ!
“Н”: “И он стал умнее, чем он был!”. Это я, в данном случае, о себе самом! Дружище, хватит на сегодня! Все это должно утрамбоваться в моей голове!
“А”: Понимаю и согласен! До встречи, дружище!
