А, ПЛОНСКИЙ
А. ПЛОНСКИЙ
РАССКАЗ ОБ УДИВИТЕЛЬНЫХ открытиях: О ТОМ, КАК ЧЕЛОВЕК ПРИРУЧИЛ ВОЛНУ О НОВОМ АЛАДИНЕ И ЕГО ЛАМПЕ, О ТОМ, КАК ПОДСЛУШАЛИ РАЗГОВОР
ЗВЕЗД, О СТА ПРОФЕССИЯХ .МЫСЛЯЩЕЙ" МАШИНЫ и О МНОГОМ ДРУГОМ
е т с к а я
о с с и я
МОСКВА
1 9 5 8
ОТ АВТОРА
В годы моей юности, среди множества больших и малых книг попалась мне скромная книжка в простом бумажном переплете. Помнится, называлась она «Веселое радио». Фамилии автора я не запомнил. Впоследствии пытался разыскать эту книжку, но она словно в воду канула. И неудивительно: такие книги на полках не залеживаются, их зачитывают до дыр.
В то время я имел о радио самое смутное представление. Радиотехника казалась мне делом страшно сложным, доступным лишь избранным. Книги по радио, которые я видел в библиотеке, состояли наполовину из скучных схем и совершенно непонятных формул. Вот почему броский заголовок «Веселое радио» вызвал во мне чувство недоверия. «Ну что здесь может быть веселого, занимательного?»—думал я, раскрывая книгу.
Но с каждой прочитанной страницей мое предубеждение все более рассеивалось. Передо мной постепенно раскрывался новый, неведомый мир — мир радио. И до чего же он оказался увлекателен! Конечно, я и раньше слышал о радиоприемниках — таинственных ящиках, битком набитых конденсаторами, потенциометрами и другими деталями с такими же тарабарскими названиями. Знал я также, что с помощью этих аппа-
ратов можно «путешествовать по эфиру» — ловить передачи со всего света. Однако то, что радиоприемник не так уж трудно сделать своими руками, явилось для меня настоящим откровением.
И вот, забросив остальные дела, я уже мастерю, паяю, с увлечением роюсь в тех самых схемах, которые совсем недавно казались мне столь скучными и сложными. Куда девался почтительный ужас, с
каким я раньше рассматривал формулы в радиотехнических книгах! Выходит, можно овладеть и этой «китайской грамотой»!
Наконец приемник готов. Уже поздно, домашние мои давно спят. Но разве утерпишь до утра? Волнуясь, включаю питание. Тусклым багровым светом загораются радиолампы. Изо всех сил прижимаю к ушам телефонные трубки. Проходит томительно долгая минута, в течение которой я лихорадочно верчу все, что только можно крутить в моем приемнике. Неужели не получится? Неужели не заговорит!
И вдруг... слышу! Сквозь свист и потрескивание доносится голос человека, говорящего на незнакомом языке. Затем негромкая, замирающая музыка...
А потом так и пошло. Все свободное время я стал отдавать радиолюбительству. Строил, ломал и снова собирал, без конца совершенствуя различные радиоприемники, телевизоры, звукозаписывающие аппараты. Целые сутки просиживал за коротковолновой рацией.
Как сейчас вижу: поздняя ночь, в темноте сверкает рубиновый глаз радиоприемника. На столе передо мной аппаратный журнал, раскрытый на чистой странице. Затаив дыхание, медленно вращаю ручку настройки. В наушниках — неумолчный шум эфира, напоминающий рокот морского прибоя. Пусто... Кажется, — ты один во всей Вселенной. Неожиданно сквозь однообразный шорох пробивается едва уловимое, дрожащее пение морзянки. Знакомая мелодия телеграфной азбуки. В мозгу сами собой складываются слова: «Всем... всем...
Вызываю для двусторонней радиосвязи всех коротковолновиков мира. Здесь Гавайские острова. Кто меня слышит, отвечайте!..»
Через минуту мы уже разговариваем, как если бы находились рядом. Затем новые поиски, новью встречи в эфире. Понемногу заполняется страница аппаратного журнала. Австралия... Новая Зеландия... Еще раз Австралия... Под утро начинают идти страны Южной Америки—Аргентина, Бразилия...
Невыразимое чувство испытываешь, разговаривая с человеком, который в этот момент находится на другом конце Земли. У тебя темная ночь — у него ослепительно яркий полдень. Ты тянешься поближе к отопительной батарее — он обливается потом от тропического зноя. Ночь и день, жестокая стужа и не менее жестокая жара — между нами многие тысячи километров. И невольно упиваешься своей властью над расстоянием, властью поистине сказочной.
На самом деле, разве не чудесная сказка — в мгновение ока переноситься из родной Москвы на далекие Гавайские острова, из ледяной Гренландии — в знойную Африку? Разве не подлинная романтика—мчаться по волнам мирового эфира, гигантским скачком преодолевая бездонные пучины океанов и неприступные горные цепи? И все это не выходя из дому, с помощью самодельной «музы дальних странствий» — маленького, корявого на вид радиопередатчика и приемника.
Немало счастливых часов дало мне увлечение радиотехникой. Я переживал их, когда на экране самодельного телеви-
зора появлялось первое, пусть не совсем еще четкое, изображение, когда самодельный магнитофон обретал «дар речи».
А потом я окончил институт и стал радиоспециалистом. И вот
НА СВОЕЙ ПЛАНЕТЕ — КАК У СЕБЯ В КОМНАТЕ. У одного полдень и зной, У другого ночь и мороз. Между ними моря, горы, долины. Но вот включены радиоприемники и передатчики — и расстояния исчезают. Через тысячи километров люди беседуют друг с другом, как будто сидят рядом.
что интересно: почти все мои товарищи по работе начинали с радиолюбительства. Специальность они выбрали не случайно, а по велению сердца. Спросите любого из них — с каким волнением, с каким задушевным чувством вспомнит он свой первый приемник...
А я в таких случаях вспоминаю еще забытую, давно устаревшую книжку. Ведь она сыграла очень важную роль в моей жизни. Кем бы я стал без нее — врачом, сталеваром, учителем, агрономом? Каждая специальность хороша по-своему, но моя все-таки лучше всех.
«Веселое радио» сейчас годится разве лишь для музея. Подобно тому как современный локомотив совсем не похож на старинную «кукушку», и радиотехника наших дней весьма отдаленно напоминает радиотехнику прошлого.
И вот мне захотелось рассказать о современной радиоэлектронике и чуточку заглянуть в будущее.


О ЧЕМ ЭТА КНИГА
Мы живем в пору величайшего прогресса науки и техники. На глазах одного поколения сбылось то, что в течение многих столетий было лишь мечтой. Человек поднялся в воздух, овладел неисчерпаемой энергией, скрытой в недрах атома, советские ученые построили и запустили первые в мире искусственные спутники Земли. Не сегодня-завтра мы станем свидетелями межпланетного полета.
К числу этих замечательных достижений человеческого гения относится и радио.
Радио... Как близко и привычно оно каждому из нас! Владимир Ильич Ленин называл радио газетой без бумаги и расстояний, считал его делом гигантски важным, мечтал о том времени, когда с помощью радиотелефона вся Россия будет слышать газету, читаемую в Москве.
Такое время наступило. Осуществилась мечта Владимира Ильича. Радио прочно вошло в нашу жизнь. С его помощью мы узнаем о событиях в Советской стране и за ее рубежами. Миллионы людей во всем мире слушают передачи московских радиостанций. Ведь советское радио служит делу мира и дружбы между народами, пропагандирует великие идеи ленинизма.
Но не только в этом огромная роль радио. Рожденное вначале как средство беспроволочной связи, оно превратилось впоследствии в новую, неисчерпаемую область науки, получившую название радиоэлектроники.
С помощью радиоэлектроники управляют автоматическими цехами и электростанциями, «видят» в тумане и непроглядной тьме, решают головоломные математические уравнения, изучают звезды, лечат различные заболевания. Без радиоприборов ныне немыслимы авиация, мореплавание; радио служит метеорологии, используется в металлургии и во многих других отраслях народного хозяйства. Радио «умеет» переводить текст с одного языка на другой, печатать книги и даже играть в шахматы.
Благодаря радиоэлектронике появились новые, самостоятельные области науки. К их числу относится, например, атомная энергетика. По словам видного советского радиоспециалиста академика А. И. Берга, «использование атомной энергии стало возможным в значительной мере благодаря применению радиоэлектронных методов в физике».
Во всех странах мира радиоэлектронике уделяют исключительное внимание.
У Жюля Верна есть рассказ «В XXIX веке». Великий писатель-фантаст предвосхитил многие открытия будущего.
«... Телефон, дополненный телефотом — вот еще одно завоевание нашего века! Если передача голоса посредством электрического тока существует уже давно, то передача изображения — открытие самого последнего времени.
... Аэрокар, чудесная машина, основанная на принципе «тяжелее воздуха», ринулся в пространство со скоростью шестисот километров в час. Под ним мелькали города с их движущимися тротуарами, везущими прохожих вдоль улиц, деревни и поля, прикрытые паутиной переплетающихся электрических проводов».
Читая эти отрывки, поражаешься прозорливости писателя и вместе с тем стремительности, с которой жизнь превзошла его смелые фантазии.
Еще только середина двадцатого века, а у нас есть и телевизоры, и самолеты, покрывающие не только шестьсот, а тысячи километров в час! То, что во времена Жюля Верна казалось фантазией, в наши дни превратилось в действительность.
Так и многое другое, что сейчас может показаться невероятным, воплотится в жизнь благодаря радиоэлектронике.
Вооружась радиоэлектроникой, ученые за сравнительно короткий срок сделали множество удивительнейших открытий.
Что же такое радиоэлектроника?
РОЖДЕНИЕ ЭПОХИ
Мы, современные люди, но очень-то почтительны к расстояниям. С течением времени Земля как бы уменьшилась в поперечнике и скоро станет целиком исхоженной и обжитой, словно улица Горького в Москве, Невский проспект в Ленинграде или Крещатик в Киеве. Пассажирский самолет опоясывает ее за каких-нибудь пару суток. А завтра кругосветное путешествие займет и того меньше — час, от силы — два. И никого это не удивит. Ведь ко всему можно привыкнуть. В нашу эпоху привыкают к чудесам. Сказки — эти поэтические фантазии народов — лишаются чудесного: оно переходит в повседневную жизнь. Ну, взять хотя бы такое.
Человек очутился далеко от родного дома, как говорят, «на другом конце света». Его это нисколько не смущает: в любой момент можно послать телеграмму или пойти на междугородный телефонный пункт. Он будет еще недоволен, если разговор не предоставят тотчас же.
А как было в прошлом, не таком уж далеком? Уходит корабль в море, и на месяцы или даже годы прощаются моряки со своими близкими. Придется ли снова увидеться? Того и гляди, налетит шквал, порвет в клочья паруса, поломает мачты...
Расстояние разобщало людей. Неудивительно, что с давних пор люди мечтали о таком средстве, которое позволяло бы им поддерживать между собой связь на любом расстоянии.
Историки рассказывают, что еще во времена римского императора Юлия Цезаря, жившего до нашей эры, существовало некое подобие телеграфа. Депеши передавались с помощью факелов по условной азбуке. Например, взмах факелом вверх означал — «приближается враг», движение факела вправо— «все спокойно» и т. д. Сигналы передавались по цепочке от одного поста другому.
А как быть в плохую погоду, в туман?
Связь прерывалась, «телеграф» Цезаря, как и более поздние системы оптического телеграфа, служил только в погожие дни.
На протяжении многих столетий надежное средство связи существовало лишь в сказках. Там были чудесные птицы, коньки-горбунки, доставлявшие весточку точно в срок и по нужному адресу.
Но человек пытливо изучал окружающий мир, познавал законы природы.
И вот наука подарила людям великое открытие — электричество. Возникла мысль использовать его в качестве «почтальона», разносящего депеши с молниеносной быстротой. По проводам научились передавать условные электрические сигналы, а затем и живую человеческую речь. Города стали покрываться густой сетью телефонных линий; вдоль дорог потянулись вереницы телеграфных столбов.
Победа! Победа над пространством! — ликовали люди. Но радость скоро уступила место недовольству.
Телеграф и телефон не удовлетворяли многим требованиям. В самом деле: если новое средство связи и не боялось погоды, как «телеграф» Цезаря, возможности его все же были сильно ограничены. Телеграф и телефон сносно служили в городах, обеспечивали связь между населенными пунктами — и все. Вырваться на широкий простор они не могли — мешали провода. Не привяжешь же их к кораблю, к самолету, не потянешь с собой куда-нибудь в горы или в пустыню!
В конце девятнадцатого века, когда учение об электричестве достигло уже большого развития, ученые начали все чаще задумываться: а нельзя ли освободить телеграф и телефон от их пут, обойтись вовсе без проводов? Многие выдающиеся физики того времени пытались решить эту головоломку — и отступали.
Да и возможна ли вообще беспроволочная связь?
На этот вопрос ответил русский ученый-физик Александр Степанович Попов.
В 1889 году А. С. Попов присутствовал на очередном заседании Русского физико-химического общества во время опытов с электромагнитными волнами — быстрыми электрическими колебаниями, распространяющимися в пространстве со скоростью света (около 300000 километров в секунду). Существование таких волн теоретически предсказал английский ученый Максвелл, а немецкий физик Герц обнаружил их опытным путем. Однако эти ученые не смогли практически использовать замечательное открытие.
...Зал заседания был затемнен. На кафедре в тусклом свете керосиновой лампы поблескивали два жестяных рефлектора — наподобие тех, которые применяются в прожекторах. Внутри одного рефлектора на близком расстоянии друг от друга виднелись два металлических шарика, от которых шли провода к
источнику электричества. Это был вибратор — прибор вырабатывающий электромагнитные волны. Внутри другого рефлектора также находились два металлических шарика. Их соединяла проволочная дуга. Этот прибор — резона-
тор — предназначался для улавливания электромагнитных волн.
Опыт начался в полной темноте. Между шариками вибратора,соединенными с источником электричества, вспыхнула кро-
шечная голубоватая искорка. В тот же момент между шариками резонатора появилась ответная искра. Она была настолько слаба, что присутствовавшим в зале лось по очереди ривать ее через тельное стекло.
приходи-рассмат-увеличи-
ТАК БЫЛО. Уходил ли кто в открытое море, пускался ли в далекое, опасное путешествие по суше, поднимался ли над землей на воздушном шаре — человек тот терял связь с другими людьми. Ни разыскать путешественника, ни помочь ему...
Факт был налицо. Искорка в вибраторе порождала аналогичную искру на расстоянии! Действие электричества переносилось по воздуху.
«Использовать электромагнитные волны... Новый вид связи — без проводов...» — мысли эти неотступно преследовали Попова.
Но как использовать?
Ведь резонатор мог действовать лишь на ничтожных расстояниях. Кому нужно такое «средство связи»?
В 1894 году было обнаружено интересное свойство металлических опилок.
Если горстку их рассыпать между двумя металлическими проводами, соединенными с источником электричества, то в такой цепи будет течь ток, правда, чрезвычайно слабый. Но как только поблизости возникает электрическая искра, опилки мгновенно изменяют свое сопротивление току, и он резко возрастает.
Явление это объяснялось следующим образом. Металлические опилки состоят из множества мелких крупинок. Каждая из них покрыта тонким слоем окислов — химических соединений металла с кислородом. Окислы проводят ток хуже, чем чистые металлы. К тому же частицы металла в опилках соприкасаются друг с другом лишь в нескольких точках. Воздушная прослойка сильно препятствует прохождению электрического тока.
Электрическая искра порождает электромагнитные волны, тотчас между крупинками проскакивают микроскопические искорки, и опилки слипаются. Площадь соприкосновения частиц металла во много раз возрастает, сопротивление опилок току уменьшается.
Чтобы вернуть опилки в прежнее состояние, нужно слегка встряхнуть их. Тогда они снова рассыплются, и сила тока опять станет ничтожно малой.
При опытах с опилками металлический порошок насыпали в стеклянную трубку. А. С. Попов назвал ее «чувствительной». Ученый испытывал трубки различной длины и формы, порошки разных металлов. Наконец он получил прибор, отличавшийся высокой восприимчивостью к электромагнитным волнам.
Теперь надо было придумать такое устройство, которое периодически встряхивало бы трубку, чтобы она хорошо проводила ток только при облучении электромагнитными волнами. Если не встряхивать, ток будет идти и тогда, когда волна уже исчезнет. Но как раз в этом встряхивании заключается главная трудность.
Может быть, просто постукивать по трубке пальцем? Хорош «прибор»! Нет, это не годится. Применить специальный пружинный механизм? Сложно и ненадежно.
Долго искал А. С. Попов. Наконец он нашел простое, остроумное решение. Пусть сама волна встряхивает опилки! В цепь трубки надо включить обыкновенный электрический звонок. Под воздействием электромагнитных волн трубка начнет пропускать ток, и звонок зазвонит, словно кто-нибудь нажал на кнопку. Так осуществится передача единичного сигнала. Но это еще не все.
Молоточку звонка можно поручить и другую, главную, нагрузку — ударять по трубке, встряхивать опилки. Стоит тогда исчезнуть волне, как опилки сразу же рассыплются, трубка перестанет пропускать ток, и звонок умолкнет.
7 мая 1895 года ученый впервые продемонстрировал свое изобретение. В этот день он выступил на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества с докладом, носившим скромное название: «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям».
Доклад заканчивался пророческими словами:
«В заключение могу выразить надежду, что мой прибор, при дальнейшем усовершенствованип его, может быть применен к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний...»
Эти слова ознаменовали рождение эпохи, которую можно назвать эпохой радиоэлектроники. День 7 мая, признанный всем прогрессивным человечеством как день изобретения радио, стал национальным праздником нашего народа.
Александр Степанович Попов продолжал совершенствовать свой прибор.
Еще при первых опытах ученый заметил, что дальность приема во много раз возрастала, когда к чувствительной трубке присоединялся кусок провода. Дальнейшие бесчисленные опыты подтвердили первые наблюдения.
Так была создана антенна — один из важнейших элементов радиосвязи. Другая такая же антенна, присоединенная к передатчику, дала новый скачок дальности.
Затем изобретатель заменил звонок в приемнике телеграфным аппаратом. Условные телеграфные сигналы — точки и тире, обозначавшие в различных сочетаниях те или иные буквы,— стали записываться на узкую бумажную ленту.
Наконец наступил день — 24 марта 1896 года, — когда Александр Степанович Попов продемонстрировал перед учеными первую в мире беспроволочную телеграфную передачу. В физическом кабинете Петербургского университета был установлен приемник, на расстоянии 250 метров от него в здании университетской химической лаборатории находился передатчик, которым управлял П. Н. Рыбкин, ассистент Попова.
Вот что рассказывал впоследствии один из очевидцев этого замечательного события — профессор О. Д. Хвольсон.
«Передача происходила таким образом, что буквы передавались по азбуке Морзе, притом знаки были ясно слышны. У доски стоял председатель физического общества профессор Ф. Ф. Петрушевский, имея в руках бумагу с ключом азбуки Морзе и кусок мела. После каждого передаваемого знака он смотрел на бумагу и затем записывал на доске соответствующую букву. Постепенно на доске получились слова: «Генрих Герц». Трудно описать восторг многочисленных присутствующих и овации А. С. Попову...»
Так человек приручил электромагнитную волну, заставил ее служить своим целям.
Уже в следующем, 1897 году дальность действия беспроволочного телеграфа превысила 5 километров. Жизнеспособность нового средства связи была доказана.
БЫСТРЫ, КАК ВОЛНЫ...
Так начинается старинная студенческая песня.
Впрочем, современники песни едва ли в полной мере представляли себе, как могут быть быстры волны. Имелись в виду морские, а они — тихоходы по сравнению с самой «неповоротливой» из невидимых волн. Волны как будто для того и существуют, чтобы стать идеальным, ни с чем не сравнимым средством связи.
Само слово «радио»— по-русски означает излучение. А всякое излучение, как мы увидим дальше, всегда связано с волнами.
...В безграничных просторах Вселенной незримо и неслышно колышутся радиоволны. Они наплывают друг на друга, разбегаются в разные стороны, пронизывая, будоража пространство.
Некоторые из них — всего лишь отголоски далекой грозы, другие посланы рукой человека. «СОС! СОС! СОС!»— три коротких сигнала, три длинных и снова три коротких: — т-т-т та-та-та т-т-т... «SOS! Спасите наши души! Спасите...»—радирует норвежский парусник, застигнутый штормом в Северном море. И, точно водяные круги вокруг брошенного камня, бегут, торопятся посланцы-радиоволны.— «СОС! СОС!» — несутся они во
все концы Земли. «Спасите...» — с умопомрачительной скоростью захлестывает пространство сигнал бедствия.
И вот уже навстречу стремится ответная волна: «Я — русский пароход «Обь». Я — «Обь». Иду на помощь. Мои координаты...»
А рядом, на соседней волне, заливается стремительный фокстрот — жизнь идет своим чередом, люди веселятся, танцуют...
Подчиняясь незыблемым законам природы, движутся радиоволны. Ученые овладели этими законами, подчинили себе могущественную и чудесную силу — радио. Попробуем и мы проникнуть в тайну удивительных волн, приручив которые человек обрел власть над расстоянием.
Небольшой пример. Идут двое, один позади другого. Задний окликнул переднего. Передний обернулся. Что заставило его сделать это? Он услышал.
Пожалуй, это избитый, но зато очень наглядный и простой пример связи, происходящей при помощи волны. В данном случае — воздушной. Где ее источник? Приложите руку к горлу и произнесите слово. Чувствуете, как что-то вибрирует? Это дрожат голосовые связки.
Наблюдая другие источники звука — звучащую струну, рупор работающего громкоговорителя и т. д.,— легко заметить, что все они колеблются. Стоит прервать колебания (например, коснуться рукой струны), как звук исчезнет. Стало быть, звук появляется в результате колебательного движения предметов.
Музыка, речь, шум мчащегося поезда, щебетание птиц — все это примеры различных звуков. Их очень много, порой они кажутся совсем непохожими друг на друга. Что общего, на первый взгляд, между раскатами грома и соловьиными трелями? И тем не менее, природа всех без исключения звуков одинакова. • Встречаются звуки высокие и низкие. Так, мужской голос — как правило, звук более низкий, чем женский. Высота звука зависит от того, насколько часто колеблется предмет, который его порождает. Например, колебания толстой струны сравнительно медленны, поэтому и звук здесь низок. Тонкая струна колеблется гораздо быстрее, и звук, издаваемый ею, высок.
Число колебаний тела в 1 секунду называется частотой колебаний. Запомните это название — в дальнейшем мы будем с ним не раз встречаться.
Человек может услышать звуки с частотой от 16—20 до 16 000-—20 000 колебаний в секунду (эти пределы зависят от индивидуальных особенностей человеческого уха).
Неслышимые звуки с частотой ниже 16—20 колебаний в секунду называют инфразвуками, а с частотой выше 16 ООО— 20 000 — ультразвуками. ,
Как же происходит передача звука на расстояние, отчего звук можно услышать?
Ударьте по натянутой струне, чтобы она начала колебаться. Колебания передадутся окружающему воздуху. Частицы воздуха также начнут колебаться. В воздухе возникнут попеременные сгущения и разрежения, образующие невидимые волны, распространяющиеся в
ВСЮДУ ВОЛНЫ. Звук, свет — все это волны. Круги на воде — это тоже волны.
пространстве.
Кто не видел круги на поверхности воды, в которую брошен камень? Это тоже волны.
Расстояние между гребнями соседних волн называют длиной волны. Частота колебаний и длина волны взаимосвязаны. Чтобы узнать длину волны, не обязательно ее мерить, да это и не всегда возможно. Достаточно поделить скорость, с которой распространяется волна, на частоту колебаний. Чем выше частота колебаний, тем волна короче.
Измерения показали, что при обычной температуре скорость звука в воздухе равна приблизительно 340 метрам в секунду, в воде — 1 450 и в железе — примерно 5 000 метрам.
По мере распространения волна растрачивает свою силу и постепенно затухает. Это происходит в результате трения отдельных частиц воздуха, воды и т. д., а также из-за рассеивания энергии на большие и большие пространства. Вот почему с увеличением расстояния звук слабеет. В жидкостях и особенно в твердых телах звуковая волна затухает значительно слабее, чем в воздухе. Приложив ухо к железнодорожному рельсу, можно услышать шум приближающегося поезда задолго до того, как он будет слышен «по воздуху».
МОДЕЛЬ ВОЛНЫ. Костяшки домино валятся одна за другой. Падая, толкая друг друга, они остаются на месте, и все же образуется движение слева направо. Это очень похоже на распространение волны. Каждую костяшку можно рассматривать как частицу вещества, которую волна заставляет колебаться «не сходя с места».
Так же распространяется любая «настоящая» волна. При движении звуковой полны одна за другой начинают колебаться частицы воздуха, морская волна поочередно толкает частицы воды и т. д.
Наталкиваясь на барабанную перепонку уха, звуковые волны заставляют ее колебаться — и мы слышим.
А как относится звук к безвоздушному пространству? Взгляните на рисунок. Под стеклянным колпаком звонок слышен. Но вот юный экспериментатор выкачал воздух — и звук исчез.
Однако существуют волны, которые распространяются и в безвоздушном пространстве. Это и есть электромагнитные волны, применяемые для радиосвязи.
Все окружающее нас состоит из мельчайших частиц — молекул, а молекулы из еще более мелких частиц — атомов. Атом — сложное «сооружение». В его центре находится ядро, размеры которого приблизительно в 100 000 раз меньше величины всего атома. Вокруг ядра, словно планеты вокруг Солнца, вращаются электроны.
Ядро заряжено положительно, электроны — отрицательно.
Как известно, электрические заряды «неравнодушны» друг к Другу: разноименные — взаимно притягиваются, а одноименные («+» и «+» или «—» и «—») — отталкиваются.
Если потереть кусок янтаря либо стеклянную палочку лоскутком сухого шелка, то часть электронов перейдет от янтаря или стекла к шелку. В результате янтарь или стекло приобретут положительный заряд, а шелк — отрицательный.
Избыточный положительный заряд действует на легкие предметы — мелкие кусочки бумаги, пылинки и др.,— притягивая их. Это явление известно любому школьнику.
Значит, в пространстве, окружающем заряженное тело, существуют электрические силы.
Заряд ядра по величине равен сумме зарядов электронов, но знаки у них разные и поэтому они уравновешивают друг друга, так что атом в целом никакого заряда не имеет. Он, как говорят, электрически нейтрален.
В некоторых телах (главным образом это металлы — медь, железо, алюминий и др.) атомы заряжены положительно, а избыточные (свободные) электроны могут блуждать от одного атома к другому. Это — движение «электронов-бездельников».
Если же к концам металлической проволоки подключить, например, батарейку от карманного фонарика, то свободные электроны вмиг изменят свое поведение: они
ЗВУК И ВОЗДУХ. Без воздуха звук не слышен. В этом легко удостовериться, выкачав воздух из баллона, куда положен электрозвонок. Однако существуют
дружно устремятся от отрицательного полюса батареи к положительному. Электроны начали работать — в цепи пошел ток.
Такой ток называют постоянным.
К проводу нашей цепи приблизим чувствительный компас. Стрелка его отклонится от первоначального положения. Разомкнем цепь тока — стрелка встанет на прежнее место. Так наглядно доказывается, что электрический ток возбуждает в окружающем пространстве магнитные силы. Они-то и отклоняют стрелку компаса.
Электрические и магнитные силы, возбуждаемые током, представляют собой одно из проявлений особого вида материи — так называемого электромагнитного поля.
Представьте себе электрическую цепь, состоящую из батарейки, провода и лампочки. Что будет, если начать быстро переключать полюсы батарейки, все время меняя их местами? Ясно: ток начнет метаться в цепи взад-вперед. Лампочка при этом будет мигать.
А если переключать батарейку все быстрее и быстрее? Скажем, не вручную, а с помощью какого-нибудь моторчика? В таком случае мигания лампочки мы уже не заметим: раскаленная нить не успеет остыть и померкнуть за то короткое мгновение, в течение которого ток «с разбегу» останавливается и поворачивает обратно.
Электрический ток, изменяющий направление много раз в секунду, называют переменным. Именно такой ток течет в осветительной сети. Он изменяет направление 100 раз в секунду: сотую долю секунды мчится в одном направлении, затем — в обратном, спустя сотую секунды снова идет в прежнем направлении и т. д. Он все время колеблется, совершая 50 полных колебаний в секунду. Если зарисовать, как при этом меняется сила переменного тока (она тем больше, чем многочисленнее электроны, проходящие через поперечное сечение проводника в единицу времени), то получится соида.
Число колебаний, совершаемых переменным током в секунду, называется его частотой. 50 колебаний в секунду — частота тока в осветительной сети. В радиотехнике применяются
волнистая кривая — сину-
волны, которые превосходно обходятся без воздуха, легко распространяются в безвоздушном пространстве. Речь идет о волнах электромагнитных.
КОМПАС В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ. Два одинаковых компаса указывают в разные стороны. Оба — в полном порядке, но первый поднесли к проводу, по которому течет постоянный электрический ток, и магнитное поле отклонило стрелку от правильного положения. Второй же компас — в стороне, магнитное поле на него не действует.
токи с частотами от нескольких десятков тысяч до нескольких миллиардов колебаний в секунду.
Вокруг провода, по которому течет переменный ток, тоже действуют электрические и магнитные силы, то есть существует электромагнитное поле. Но приблизьте к такому проводу чувствительнейший компас — его стрелка останется неподвижной.
Она недостаточно проворна. Направление магнитных сил, действующих вокруг провода с переменным током, изменяется чрезвычайно быстро, и стрелка из-за инерции попросту не успевает реагировать на них.
Электрические и магнитные силы переменного поля не могут существовать друг без друга. Всякое изменение магнитных сил тотчас влечет за собой изменение сил электрических. Такое свойство поля называют электромагнитной индукцией (от слова индуцировать — наводить). II наоборот, изменение электрических сил неизбежно приводит к изменению сил магнитных.
Если в электромагнитное поле переменного тока поместить замкнутый виток провода, то в нем начнет циркулировать ток той же частоты. Это — результат электромагнитной индукции.
Явление индукции используется, например, в трансформаторе, который позволяет в любое число раз повышать или понижать напряжение переменного тока Трансформатор вы найдете почти в каждом радиоприемнике, это один из самых распространенных электротехнических приборов. В трансформаторе имеются две обмотки, а иногда бывает и несколько. Когда по какой-нибудь из обмоток проходит переменный ток, вокруг
1 Если силу электрического тока можно уподобить толщине водяной струи, то его напряжение подобно высоте, с которой эта струя падает. Напряжение на обмотках трансформатора пропорционально числу их витков. Если в первичной обмотке, включенной, скажем, в осветительную сеть, в десять раз больше витков, чем во вторичной, то напряжение на последней будет во столько же раз меньше. И, наоборот, если вторичная обмотка содержит большее число витков, то и напряжение на ней выше.
нее возникает перелменное электромагнитное поле. Пересекая витки других обмоток, оно возбуждает в них переменные токи.
Благодаря индукции переменное электромагнитное поле обладает одним замечательным свойством: оно волнообразно распространяется в пространстве. Ведь всякое изменение электрических сил в какой-то точке вызывает в соседней точке соответствующее изменение сил магнитных. Последнее, в свою очередь, влияет на электрические силы в более удаленной точке, а те на магнитные силы и т. д.Так возникает электромагнитная волна— та эстафета, где роль чередующихся бегунов играют электрические и магнитные силы. У этих бегунов нет соперников. Их скорость 300 000 километров в секунду!
Если изобразить, как меняется величина электрических или магнитных сил с расстоянием, то получится уже знакомая нам волнистая линия — синусоида. Такая картина справедлива для какого-то момента времени. В следующий момент синусоида сместится, поскольку волна движется, и как мы уже сказали, очень быстро — со скоростью света. Длина электромагнитной волны — это расстояние между двумя соседними горбами либо впадинами такой синусоиды.
Электромагнитные волны составляют обширное и могучее семейство. К нему относятся и радиоволны, и рентгеновы лучи, и свет. Каждый член этого семейства имеет свой, сугубо индивидуальный характер, определяемый длиной волны. Как и во всем, что касается радио, здесь гигантский размах «от —до»: длина радиоволн лежит в пределах от нескольких километров до миллиметров. Длина световых волн измеряется долями микрона (микрон — 1/1000 миллиметра).
Что известно об этих резвых волнах?
Еще в начало нашего столетия считалось, что электромагнитные волны — это колебания особого всепроникающего вещества — эфира (конечно, не того, который дается при наркозе). Но впоследствии ученые установили, что никакого эфира не суш.е-
СИИУСОИДА НА ДОРОГЕ. Так художник представил себе рождение синусоиды. Основное тут правильно: есть два движения — влево-вправо и вперед; ив них складывается любая синусоида. Если раз за разом измерять силу переменного тока, текущего по проводам осветительной сети, то легко убедиться, что она изменяется тоже по синусоиде. Для этого по вертикали откладывается сила тока, а по горизонтали — момент времени, которому она соответствует. Получается ряд точек. Стоит их соединить, и образуется волнистая кривая — синусоида. Сотую долю секунды ток идет в одном направлении, сотую— в другом. С такой же частотой синусоида то взбирается над центральной линией, то спускается под нее.
ствует. И слово «эфир» сохранилось в обиходе радистов лищь как привычное обозначение пространства, наполненного радиоволнами.
Чем же объясняется способность электромагнитных волн распространяться в безвоздушном пространстве? Материальны ли они? Или, может быть, правы идеалисты, утверждавшие, что
природа электромагнитных волн непознаваема, что эти волны не признают обычных земных законов?
Если электромагнитные волны материальны, то они обязаны воздействоватьна различные предметы, оказывать на них давление. Об этом говорил еще английский физик Максвелл (1831—1879) — создатель теории электромагнитных волн. Но доказать опытным путем, что давление электромагнитных волн существует, никому не удавалось. Ничего удивительного — ведь оно ничтожно.
По расчетам Максвелла, на один квадратный метр земной поверхности солнечный свет, например, давит с силой все-
ДАВЛЕНИЕ СВЕТА. Здесь изображена схема прибора, с помощью которого было обнаружено давление света. Солнечный луч, пройдя через собирательную линзу 1, падает на крылышко пропеллера 2, подвешенного на тончайшей нити под стеклянным колпаком, из-под которого откачан воздух.
К нити прикреплено зеркальце 3. На него направлен другой световой луч — от небольшой осветительной лампочки 4.
Отраженный зеркальцем зайчик попадает на шкалу 5.
В результате светового давления крыльчатка поворачивается вокруг нити, и световой зайчик движется по шкале. Это отклонение и свидетельствует о том, что давление света существует.
го в несколько десятых миллиграмма. Поэтому даже сам Максвелл сомневался в том, что световое давление можно обнаружить и измерить.
Эту исключительно трудную задачу решил выдающийся русский ученый П. Н. Лебедев.
Внимание Лебедева привлекло одно явление природы, долгое время казавшееся загадочным. Всем известны
«хвостатые звезды» — кометы. Хвосты комет, наводившие ужас на суеверных людей, есть не что иное, как скопления распыленного вещества. Было замечено, что когда комета пролетает вблизи Солнца, ее хвост обычно направлен в сторону, противоположную Солнцу. Но согласно закону всемирного тяготе-
ния, кометный хвост, как и любое другое тело, должен притягиваться Солнцем. Почему же происходит обратное?
Лебедев объяснял загадочное поведение кометных хвостов давлением солнечного света. Но это была только догадка. Ученый решил во что бы то ни стало измерить световое давление. После множества опытов он добился успеха.
Прибор, с помощью которого удалось обнаружить и измерить давление света, представлял собой стерженек с легкими крылышками, подвешенный на тончайшей кварцевой нити. К нити было прикреплено также маленькое зеркальце, отбрасывающее световой зайчик на специальную линейку — шкалу.
Под воздействием силы света стерженек поворачивался, закручивая нить до тех пор, пока не уравновешивалась сила, давящая на крылышко. Стерженек поворачивался, и по шкале пробегал световой зайчик, служивший «стрелкой».
Когда Лебедев направил на крылышко луч света, нить также закрутилась, и зайчик переместился по шкале.
Казалось бы, световое давление обнаружено, величина его измерена. Но ученого ожидал неприятный сюрприз. Крылышко отклонялось не так, как это должно было быть по расчетам Максвелла. В чем здесь дело?
Выяснилось, что световой луч не только давил на крылышко, но и нагревал его. Тепло передавалось окружающему воздуху, и воздушные струи «доворачивали» крылышко еще на какой-то угол. Лебедев откачал воздух из сосуда, в котором находился прибор. Возникли и другие препятствия. Ученый терпеливо устранял их одно за другим и, наконец, добился правильного результата.
Этими опытами была доказана материальность электромагнитных волн.
„ТО ЖЕ, ТОЛЬКО БЕЗ КОШКИ»
Рассказывают, что югославский драматург Нушич, автор многих известных комедий, в беседе с друзьями попробовал объяснить, что такое телеграф.
— Представьте большую кошку, хвост у нее в Загребе, а голова в Белграде. Потянут за хвост в Загребе —в Белграде мяукнет.
Тогда друзья спросили, что же такое радио.
— То же самое,— ответил Нушич,— только без кошки.
Объяснение шутливое и, конечно, не претендующее на научную точность. Попытаемся сделать то же самое, что сделал Нушич, только более научно: объясним, что такое радио — просто и наглядно. С радиоволнами мы уже знакомы, посмотрим теперь, как с их помощью осуществляется беспроволочная связь.
Для радиосвязи и радиовещания нужны: радиопередатчик, передающая и приемная антенны и радиоприемник. Радиопередатчик — это «фабрика электрических колебаний». Передающая антенна распространяет, а приемная — принимает «продукцию». Радиоприемник — сложнейшее «предприятие», перерабатывающее электрические колебания в звуки. Происходит радиопередача следующим образом.
Электромагнитные волны, излучаемые антенной радиопередатчика, как и любые другие волны, обладают энергией. Достигая места приема, волны воздействуют на антенну радиоприемника. Благодаря электромагнитной индукции (мы говорили о ней выше) электроны в проводе антенны приходят в движение — начинает течь переменный электрический ток, частота которого всегда соответствует длине принимаемой электромагнитной волны. Этот ток и улавливается приемником.
Чем выше частота электрического тока, тэ есть чем короче длина электромагнитной волны,— тем легче излучается энергия. Это одна из причин того, что для радиосвязи применяются быстропеременные токи (или, как называют их теперь, токи высокой частоты), а не обычный переменный ток.
В первых опытах А. С. Попова передатчиком служил очень несовершенный вибратор Герца. Его наиболее существенный недостаток легко пояснить на таком примере.
Представьте, что вы сидите на собрании, где разгорелись бурные прения. Каждый что-то говорит соседу. Звуки отдельных голосов сливаются в сплошной гул, трудно что-либо понять. Вы тоже не прочь поделиться мыслями с товарищем, повышаете голос, чтоб тот услышал, стараетесь перекричать толпу. Естественно, этому примеру могут исследовать и другие. Общий гул усилится, и тут уж совсем ничего не разберешь.
Нечто аналогичное происходило на заре развития радио. Чем больше становилось радиопередатчиков, чем более повышалась их мощность, тем сильнее они мешали друг другу. Положение казалось безвыходным. Однако вскоре удалось навести порядок в эфире. Чтобы выделить ту или иную передачу, стали использовать явление резонанса.
Допустим, две гитарные или скрипичные струны настроены на одинаковый тон. Ударьте по одной из струн — вторая тотчас отзовется. Такое явление называется резонансом (слово «резонанс» означает отзыв, отклик).
Любое упругое тело — струна, пружина и т. д. — после толчка начинает колебаться с определенной частотой, зависящей от размеров и формы колеблющегося тела, а также от материала, из которого оно сделано. Эта частота получила название «собственной».
Резонанс наблюдается тогда, когда собственная частота струны, пружины или маятника совпадает с частотой внешних толчков. При резонансе оказывается достаточно сравнительно небольшой затраты энергии, чтобы поддерживать сильные колебания какого-либо тела. Так, например, даже ребенок может раскачать тяжелые качели, если будет толкать их в такт колебаниям.
РЕЗОНАНС. Когда собственная частота колебаний тела совпадает с частотой внешних толчков,— возникает резонанс. При резонансе достаточно сравнительно небольшой затраты энергии, чтобы поддерживать сильные колебания какого-либо тела. Явление резонанса чрезвычайно широко используется в области радиотехники, в частности для настройки радиоприемников на определенную частоту.
Человеческое ухо — великолепный «приемник», воспринимающий широчайшую полосу звуковых частот. Но представьте себе, что мы можем настраивать его на определенный тон, как настраивают струны музыкального инструмента. Тогда оно будет откликаться (резонировать) только на этот тон, а все остальные звуковые колебания окажутся неслышными.
Если бы подобная настройка наших органов слуха и речи была возможна, то переговариваясь в толпе «на разных частотах», мы не испытывали бы
никаких помех.
Теперь перейдем к действительности. То, что было фантазией, когда мы говорили о человеческой речи, оказалось вполне осуществимым в области
радио.
Все это известно. Но как удалось помочь каждому передатчику спокойно, но надрываясь, «разговаривать» с многомиллионными слушателями среди общего галдежа, устраиваемого в эфире радиостанциями всей земли?
Пришлось эфир поделить. Каждой радиостанции отведена определенная полоска частот, на которых ей дозволено вести передачи. Кроме того, и приемник и передатчик для этой цели были снабжены особым устройством. О нем поговорим подробно в дальнейшем. Пока же отметим, что оно называется колеба
тельным контуром и позволяет передатчику не нарушать установленных в эфире границ, а приемнику — выбирать любую из полосок, кочевать с одной волны на другую.
При чем тут, однако, резонанс?
Радиопередатчик, в котором имеется колебательный контур, излучает уже не широкую полосу радиоволн, а очень узкую, соответствующую настройке контура. Приемник, снабженный аналогичным контуром, при настройке в резонанс будет улавливать только волну «своего» передатчика.
Первые радиоприемники, как и передатчики, были очень несовершенны. Одним из их недостатков оказалась низкая чувствительность к электромагнитным волнам. Как известно, энергия радиоволн, распространяющихся в пространстве, невелика и с расстоянием становится все меньше. А первые радио
приемники «откликались» лишь на сравнительно сильные сигналы.
Как повысить чувствительность радиоприемника? Ученые не сразу смогли ответить на этот вопрос. Казалось, радиотехника очутилась в тупике.
Но из любого тупика ученые находят выход. На этот раз путь науке осветила лампа, неизмеримо более «волшебная», чем знаменитая лампа Аладина из сказок Шехерезады.
Это была радиолампа.
Она гигантски усиливает электрические сигналы. Поэтому ламповые радиоприемники могут улавливать ничтожные по силе электромагнитные волны.
Неудивительно, что первые радиолампы произвели сенсацию.
«Никакие усовершенствования в современной радиотехнике не могут произвести такого впечатления, — рассказывал П. А. Остряков*— впоследствии видный советский радиоспециалист,— какое получилось от знакомства с первыми радиолампами, появившимися в русской армии во время первой мировой войны...
XII армия под Ригой готовилась к наступлению. Штаб Северного фронта в Пскове лихорадочно сносился с армейским штабом в Риге. Проволока между Псковом и Ригой время от времени рвалась, и тогда ее дублировала радиосвязь.
Полевая двухкиловаттная искровая радиостанция 1 не могла надежно перекрыть расстояние в 250 километров; поэтому посредине, в городе Валке, стояла ретрансляционная станция. Она преимущественно помогала Риге, передавая в Псков ее шифровки. Более мощный Псков обходился без помощи Валка. Хотя и плоховато, но Рига без посредника принимала его работу. Но вот случилось несчастье: «пропал» Валк, нарушилась связь в самый разгар работы штаба. В этот момент на псковскую радиостанцию доставили какой-то небывалый груз. Тяжелый плоский ящик полированного дуба, примерно 40X 50 см.
Дежурный слухач у аппаратной двуколки не обращал на все это никакого внимания: его целиком поглотила неудача... Слухача попросили отойти, и на его табуретку поставили ящик...
...В лампе появилось небольшое голубое свечение, а в телефоне громко заработала Рига, безрезультатно звавшая Валк. Впрочем, не только Рига; там жужжало несколько вращающихся разрядников станций РОБТиТ («Русское общество беспроволочных телеграфов и телефонов» в Петербурге) и пели тональные
1 В искровых передатчиках элекиромагнитные волны возбуждаются электрической искрой.
искры наших и немецких «телефункенов». Дежурный слухач с растерянным видом пояснял: «Двпнск, Якобштадт, а это он... работает».
Получилось впечатление, точно рассеялся, туман и стало видно во все концы. Прозревший слепец, вероятно, почувствовал бы себя так же, как те, кто тогда у двуколки искровой радиостанции как зачарованные смотрели на эту сиявшую голубым светом лампу...»
Радиолампа совершила переворот не только в приемной, но и в передающей технике. Искровые передатчики, применявшиеся еще А. С. Поповым, более совершенные дуговые, где электрические колебания создавались не прерывистой искрой, а постоянно горящей электрической дугой, машинные, подобные тем, что’применяются для создания переменного тока в осветительных сетях,— все они были вынуждены уступить место ламповым передатчикам, или, как часто говорят, генераторам (слово «генератор» происходит от слова «генерировать», то есть возбуждать, создавать).
Так колебательный контур и электронная лампа утвердились в радиотехнике, стали ее основой.
НЕДВИЖИМЫЙ МАЯТНИК
Колебательный контур, этот своеобразный недвижимый маятник, состоит из двух деталей — катушки индуктивности и конденсатора.
Катушка индуктивности представляет собой проволочную спираль, которая обычно наматывается на основание из какого-либо материала, не проводящего электрический ток.
Простейший конденсатор — это две плоские металлические пластины, расположенные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга.
Прежде чем рассмотреть работу колебательного контура, познакомимся с действием его частей — катушки индуктивности и конденсатора.
В повседневной жизни нам часто приходится сталкиваться с явлением инерции. Под словом «инерция» подразумевают свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Часто можно наблюдать, как движется автомобиль или трамвай с выключенным мотором, как едет велосипедист, не вращая педалей. Такое движение обусловлено инерцией.
Чтобы сдвинуть с места тяжело груженный вагон, нужно
приложить большую силу. Как только вагон тронулся, двигать его становится гораздо легче. Чтобы затормозить движение такого вагона, нам снова придется приложить очень большую силу. Это еще один пример инерции.
На валах многих машин устанавливают маховики — массивные колеса, сглаживающие толчки вращающихся валов. Попробуйте сразу раскрутить маховик, либо резко затормозить — ничего не выйдет. Медленно, как бы нехотя, будет набирать он скорость, а уж когда раскрутится, то так же нехотя, постепенно будет останавливаться.
Катушка индуктивности напоминает маховик. Она обладает своего рода инерцией по отношению к электрическому току, может накапливать энергию.
Если полюсы электрической батареи замкнуть прямолинейным проводником, то в такой цепи практически мгновенно установится наибольшая сила тока. Значит, электрическая инерция прямого провода ничтожно мала.
Если же к батарее подключить проволочную спираль, то сила тока достигнет максимальной величины не сразу, а постепенно, спустя некоторый промежуток времени. Это будет происходить тем медленнее, чем больше витков в спирали. Таким образом, катушка индуктивности обладает электрической инерцией, которая возрастает с увеличением числа витков.
Индуктивность катушки препятствует не только быстрому возрастанию тока при замыкании цепи, но и его падению в момент размыкания. Иными словами, подобно тому как инерция противодействует всякому изменению скорости движения тел, индуктивность оказывает сопротивление всякому изменению силы электрического тока.
ИНЕРЦИЯ. Сдвинуть с места тяжело...
Теперь обратимся к конденсатору. Это своеобразный сосуд, вмещающий определенный электрический заряд. Чем больше площадь пластин конденсатора и меньше расстояние между ними, тем выше его емкость, то есть тем больший заряд он может вместить.
Чтобы зарядить конденсатор, нужно подключить его к полюсам электрической батареи. При этом на одной пластине («обкладке») конденсатора сосредоточится положительный заряд, а на другой — отрицательный. Если теперь отключить батарею и замкнуть обкладки проводником, то конденсатор почти моментально разрядится — по проводнику протечет ток, и заряды уравновесят друг друга. Если конденсатор замкнуть прямолинейным проводником, то наибольший ток потечет в первый миг; по мере разряда, длящегося миллионные доли секунды, сила тока будет падать и станет равна нулю, когда конденсатор совсем разрядится.
Другое дело, если к обкладкам конденсатора присоединить катушку индуктивности. В такой цепи, вследствие ее большой электрической инерции, максимальная сила тока установится не сразу. Ток, проходящий по катушке, будет возрастать постепенно и достигнет наибольшей величины, когда конденсатор полностью разрядится.
Казалось бы, в этот момент ток должен мгновенно прекратиться — ведь конденсатор полностью разрядился. Но вспомним маховик: уже давно замолк мотор, вращающий вал, а это тяжелое колесо все крутится и крутится.
Точно так же и движение электрических зарядов в силу инерции катушки не прекратится сразу, как только конденсатор
а поддерживать движение неизмеримо легче.
Зато потом мгновенно его прекратить будет так же тяжело, как начать. В этом проявляется инерция. Катушка индуктивности — одна из основных частей колебательного контура — обладает электрической инерцией и не позволяет току резко возрастать и прекращаться. Мгновенный разряд конденсатора она превращает в плавное спадание тока.
разрядится. За счет энергии, накопленной катушкой, ток некоторое время будет течь в ту же сторону, что и раньше, постепенно убывая. При этом конденсатор вновь станет заряжаться, но на обкладке, где раньше был положительный заряд, начнет сосредоточиваться отрицательный, и наоборот. В тот момент, когда конденсатор снова полностью зарядится, сила тока в цепи упадет до нуля; затем ток потечет в обратную сторону — конденсатор опять станет разряжаться.
Такой процесс попеременного заряда и разряда станет повторяться вновь и вновь. В цепи, состоящей из конденсатора и подключенной к нему катушки, будут происходить электрические колебания. Отсюда и название «колебательный контур». Если бы провод катушки не обладал сопротивлением, то есть пропускал бы электрический ток без малейших потерь, то колебательный процесс в контуре продолжался бы вечно.
Однако в любом проводе неизбежно расходуется электрическая энергия. Электронам, движущимся по проводу, приходится пробиваться сквозь гущу атомов металла. Часть электронов сталкивается с ними, резко тормозится и теряет свою энергию, которая превращается в тепло, нагревая провод (вспомните раскаленную спираль электрической плитки).
А раз в проводе катушки имеются потери энергии, то электрические колебания мало-помалу затухают, и колебательный процесс в контуре прекращается.
Колебательный контур — электрический маятник. Как и обычный маятник, он имеет собственную частоту колебаний. Чем больше индуктивность катушки и емкость конденсатора, тем реже колебания — ниже собственная частота колебательного контура. Регулировкой емкости или индуктивности контур передатчика либо приемника настраивают на нужную частоту электрических колебаний.
ВОЛШЕБНАЯ ЛАМПА
В детстве я очень любил арабскую сказку об Аладпне и волшебной лампе. Мое воображение захватывали чудеса, совершаемые этой удивительной лампой. G ее помощью легко исполнялись самые фантастические желания. Она наделяла людей безграничной властью над окружающим миром: позволяла видеть, что делается за тридевять земель, слышать сказанное на другом конце света...
Взрослые скучно объясняли: пет такой лампы и быть не может. Все это выдумка.
А когда я подрос, то обнаружил, что она существует.
Правда, нет в ней ничего сверхъестественного, загадочного. Она появилась не в результате какого-то колдовства, не под действием таинственных чар — ее создал великий гений человека.
Речь идет о радиолампе, или, как ее называют иначе, электронной лампе.
Что же представляет собой этот замечательный прибор, совершивший переворот в науке и технике, во всей нашей жизни? Как устроена и работает «волшебная» лампа, отвоеванная человеком у сказки?
СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ В ДИОДЕ. В простейшей радиолампе (диоде) два электрода: катод и анод. Пока батарея накала отключена, свободные электроны не покидают металла, из которого сделан катод. Но вот батарею включили, катод раскалился, и свободные электроны ринулись наружу. Скорее на анод,навстречу положительным зарядам! Стремительное движение электронов от катода к аноду через безвоздушное пространство и образует «анодный» ток, заставляющий отклониться стрелку электроизмерительного прибора.
Электронная лампа, как и лампа из арабской сказки, была найдена случайно. Однако эта случайность совсем иного рода. Она подготавливалась незаметным, но поистине титаническим трудом сотен ученых. Одному из них — известному американскому изобретателю Эдисону—досталась роль нового Аладина. В конце прошлого века Эдисон, занимавшийся усовершенствованием электрической лампочки, изобретенной нашим соотечественником Лодыгиным, столкнулся с любопытным явлением. Был проделан такой опыт. Внутри баллона осветительной лампы поместили небольшую металлическую пластинку. Между пластинкой и нитью накала включили электрическую батарею и чувствительный гальванометр — прибор для обнаружения тока. Как и следовало ожидать, стрелка гальванометра осталась неподвижной. Ведь электрический ток течет только по замкнутым цепям, а между пластинкой и нитью лампы имелся разрыв.
Но вот лампу включили, и нить раскалилась. Здесь-то и произошло неожиданное. Стрелка гальванометра поползла вправо. Значит, в разомкнутой цепи начал течь ток. Простран-
ТОЛЬКО В ОДНУ СТОРОНУ. Подобно тому, как вентиль пропускает воздух только в камеру и не выпускает его в обратном направлении, диод пропускает ток, только когда анод заряжен положительно, и «запирается», если на анод поступает отрицательный заряд. Это понятно: ведь одноименные заряды (электроны катода п отрицательно заряженного анода) отталкиваются! Работая, как вентиль, диод способен выпрямлять переменный ток.
ство между пластинкой и раскаленной нитью он перепрыгивал, словно бегун небольшую канавку, повстречавшуюся на пути.
И вот что еще: ток появлялся только тогда, когда к пластинке присоединяли положительный полюс батареи, а к нити — отрицательный. Достаточно было поменять полюсы местами, как ток прекращался.
Все это противоречило законам электротехники — науки, которая в то время достигла уже достаточно высокого уровня.
Почему ток проходит через безвоздушное пространство между нитью и пластинкой? Отчего он течет лишь в том случае, если «плюс» батареи подключен к пластинке, «минус»—к нити, а не наоборот?
Ответ оказался очень простым.
Нить лампы делается из металла. А металлы отличаются тем, что в них много свободных, не связанных с атомами электронов. Эти «бездомные» электроны блуждают между атомами металла. По мере нагрева нити скорость их движения возрастает. Наконец, они начинают «выпрыгивать» наружу. Когда
нить раскалена, вокруг нее образуется облачко электронов. Обычно они висят «между небом и землей». Но как только пластинка приобретает положительный заряд, электроны, заряженные отрицательно, дружно устремляются к ней. А ведь поток электронов, движущихся водном направлении, и есть электрический ток!
Если же пластинка подключается к отрицательному полюсу, электроны отскакивают от нее. В этом случае тока не получается. Отсутствует ток и тогда, когда лампа не горит: холодная пить не испускает электронов.
Металлическую пластинку (положительный электрод) назвали анодом лампы, а ламповую нить (отрицательный электрод) — катодом. Простейшая радиолампа, в которой имеется всего лишь два электрода — катод и анод,— получила название диода. (Диод, триод и другпе названия ламп происходят от древнегреческих числительных 2, 3 и т. д. и обозначают чпсло электродов в радиолампе).
Диод — это еще не вполне «волшебная» лампа, но у него уже есть одно очень интересное свойство — с его помощью можно «выпрямлять» переменный ток — преобразовывать его в постоянный, то есть текущий в одном направлении. Действительно, если подключить диод к осветительной сети, ток через него будет течь только в одну сторону короткими толчками — импульсами — в те моменты, когда на анод поступает положи-
СЕТКАВ ТРИОДЕ - РЕГУЛИРОВЩИК ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ. В трех электродной лампе (триоде) сеть свой регулировщик — управляющая сетка. Она регулирует движение электронов между катодом и анодом. Вот на сетку подали
тельный заряд. Когда же анод заряжен отрицательно, лампа вообще не пропускает тока, она, как говорят, «заперта». Таким образом, диод действует подобно вентилю велосипедной или автомобильной камеры, пропускающему воздух лишь в одну сторону. Поэтому выпрямительную лампу иногда называют вентилем.
Вскоре у диода появился «младший брат» — триод (трехэлектродная лампа). В триоде между анодом и катодом имеется дополнительный электрод, сделанный в виде металлической решетки пли проволочной спирали,— так называемая сетка. Она-то и придала электронной лампе поистине волшебные свойства. Сейчас мы с ними познакомимся. Нам поможет жизненный пример. Вспомним кузнеца. Некогда труд его был тяжелым, требовал незаурядной физической силы и выносливости. И в наши дни кузнецы обычно крепкий парод. Но теперь, чтобы ударить по раскаленной болванке, большой силы не надо: повернул ручку механического молота — он приподнялся, другое движение — рухнул вниз, сплющивая искрящийся кусок металла. Слабое мускульное усилие человека машина превращает в удар многотонного молота. Она в тысячи раз увеличивает человеческую силу.
Нечто подобное делает и триод: слабые электрические колебания он усиливает во много раз. Вот почему такую радиолампу называют усилительной.
отрицательный заряд. Путь закрыт Стойте, электроны! Ждите, пока сетка не зарядится полояштелыю и не откроет перед вами «зеленую улицу».
Для чего служат катод и анод, вы уже знаете. А какова роль сетки в усилительной лампе?
Понаблюдайте за милиционером-регулировщиком, который, стоя посреди оживленного перекрестка, управляет уличным движением. Вот регулировщик поднял жезл. Стоп! Поток автомашин, мотоциклов, троллейбусов мгновенно останавливается. Новый взмах жезла — и автомобили снова несутся через
Вот так же и сетка
перекресток.
МОГУЩЕСТВО ТРЕХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ. Трехэлектродную лампу называют усилительной. Вы видите, почему?
Сетка расположена гораздо ближе к катоду, чем анод, поэтому она значительно сильнее влияет на движение электронов. Ничтожное изменение сеточного заряда приводит к резким изменениям силы анодного тока. Подобно тому, как огромный экран кинематографа с колоссальным увеличением воспроизводит изображение, запечатленное на кинопленке, мощные колебания анодного тока копируют слабые колебания сеточного заряда. Слева — электрические колебания, подаваемые на сетку, справа — колебания, возникающие на аноде.
управляет потоком электронов, несущихся сквозь нее к аноду. Поэтому сетку называют иногда управляющим электродом.
Когда сетка заряжена положительно, она ускоряет движение электронов, помогает им оторваться от катода и достичь анода лампы. Если же на сетке имеется отрицательный заряд, то этот заряд, отталкивая электроны, мешает им пробиться к аноду.
Сетка расположена очень близко от катода, гораздо ближе, чем анод. Поэтому она значительно сильнее влияет на дви-
жение электронов.
Если отрицательный заряд на сетке достаточно велик, лампа «запирается»: перестает пропускать ток, как бы ни был при этом заряжен анод.
Но вот «минус» на сетке стал чуточку меньше — через лампу начинает течь слабый анодный ток Ч Отрицательный заряд продолжает уменьшаться — анодный ток растет. Ничтожные изменения сеточного заряда приводят к резким изменениям силы анодного тока.
А что если величина заряда на управляющей сетке колеблется? В этом случае колеблется и сила анодного тока. И подобно тому, как огромный экран кинематографа с колоссальным увеличением воспроизводит крошечное изображение, запечат-
1 Анодный ток — это поток электронов, проходящий через анод лампы.
ЛАМПОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ В СХЕМЕ И «ВО ПЛОТИ». Перед вами самый распространенный радиотехнический прибор — ламповый усилитель. Па «вход» (между катодом и сеткой лампы) поступают слабые электрические колебания (например, от антенны радиоприемника). К «выходу» (между анодом и гальванической батареей) подключена так называемая нагрузка—колебательный контур.
лепное на кинопленке, мощные колеоания анодного тока «копируют» слабые колебания сеточного заряда. Иными словами, в лампе происходит процесс усиления электрических колебаний.
Теперь нам будет нетрудно разобраться, как работает самый распространенный радиотехнический прибор —ламповый усилитель. Он устроен так...
Впрочем, здесь нам потребуется схема. Та самая схема, которая обычно приводит в ужас начинающего радиолюбителя.
Подобно тому, как на географической карте город изображается кружком, шоссе линией и т. д., каждая радиодеталь имеет свое условное обозначение. Например, лампа схематически изображается в виде круга или овала. Перевернутый молоточек в верхней части круга — анод. Пунктирная линия — сетка. Петелька внизу — нить накала. Просто, не правда ли?
А вот вам и схема всего лампового усилителя. В анодной цепи лампы вы видите колебательный контур. Винтовая линия изображает катушку, а две короткие параллельные линии — конденсатор.
На «вход» усилителя (между катодом и сеткой лампы) поступают слабые электрические колебания (например, от антенны радиоприемника). К «выходу» (между анодом и гальванической батареей) подключена так называемая нагрузка —колебательный контур.
Когда колебания на входе усилителя отсутствуют, электрический заряд, создаваемый на сетке лампы специальным источником электричества (этот источник для простоты на ри-
ПО «СТУПЕНЧАТОМУ» ПРИНЦИПУ. Перескакивая с одной ступеньки лестницы на другую, можно взобраться на самый верхний этаж самого высокого здания. Электрические колебания, «прыгая» со ступени на ступень лампового усилителя, могут достичь любого размаха.
С помощью «лестницы» усилителей нетрудно еле уловимые сигналы увеличивать в миллионы раз, еле уловимый шорох превращать в оглушительный грохот.
сунке не показан), не изменяется по величине. Поэтому остается постоянной сила анодного тока.
Когда же на сетку лампы поступают электрические колебания, величина заряда начинает периодически изменяться. Это вызывает пульсацию анодного тока, проходящего через нагрузку. Толчки тока как бы раскачивают колебательны!! контур, и в нем возникают электрические колебания, размах которых особенно велик в случае резонанса, то ость тогда, когда контур настроен на частоту колебаний.
С помощью радиолампы электрические колебания можно усилить в десятки раз. Но и такое усиление часто оказывается недостаточным. Так, например, чтобы разобрать слабые сигналы далекой радиостанции, их энергию приходится усиливать в миллионы раз. При таком усилении едва уловимый шорох воспринимался бы нашим ухом как оглушительный грохот.
Как же осуществляется это колоссальное усиление?
Постепенно. Старый, испытанный способ. С незапамятных времен, когда нужно было подняться на крутую высоту, люди пользовались лестницей. Шаг за шагом — и высота, непреодолимая без промежуточных ступеней, взята.
По Такому же «ступенчатому» принципу строятся и радио-усилители. Обычно они состоят из нескольких ламповых сту
пеней, каждая из которых представляет собой самостоятельный усилитель на одной лампе. Вход каждой последующей ступени подключается к выходу предыдущей.
Предположим, что каждая ступень усиливает колебания в 10 раз. Тогда общее усиление двух ступеней будет равно 100, трех 1000 и т. д. Чем больше ламп, тем выше усиление. Вот почему в чувствительных радиоприемниках для дальнего приема бывает по десяти и более ламп.
В современной радиоаппаратуре часто применяются усовершенствованные мпогосеточные лампы — четырехэлектродные (тетроды), пятиэлектродные (пентоды) и т. д. Они устойчивей работают на высоких радиочастотах, дают большее усиление.
По мере своего развития радиолампа становилась все менее похожей на своего предка — лампочку накаливания. Хрупкая стеклянная оболочка во многих радиолампах сменилась прочным железным панцирем. Ясно, что металлические лампы совсем не дают света и сохраняют название ламп лишь «ио инерции» — в силу укоренившейся традиции.
Радиолампы различны и по внешнему виду, и по размерам. Миниатюрные лампы — «желуди» — очень похожи на желудь как величиной, так и формой. Другое дело — мощные радиолампы, применяемые в радиопередатчиках. Их высота близка к росту человека.
АЗБУКА РАДИОТЕХНИКИ. Чтобы получить полное представление об устройстве того или иного радиоприемника, передатчика или телевизора, нужно знать, из каких деталей они собраны, как проходят соединительные провода. Обо всем этом подробно рассказывает принципиальная схема — своего рода топографическая карта, без Которой в современном приемнике так же легко заблудиться, как в дремучем лесу. Разобраться в радиосхемах может лишь тот, кто хорошо знаком с их азбукой — условными обозначениями различных деталей. На этих рисунках вы видите наиболее распространенные обозначения.
Электрическое соединение двух проводников (1) изображают на схемах точкой. Если же проводники не соединены друг с другом, в месте их пересечения на схеме рисуют петельку. Зажим («клемму») — деталь, с помощью которой к приемнику можно присоединить антенну, заземление и т. д.,—рисуют в виде кружка, прочерченного наискось прямой линией. Гнездо для штепсельной вилки или, например, для детектора обозначают просто кружком (2). Антенну изображают в виде вилки с двумя
или тремя зубцами, а заземление (или подключение провода к металлическому корпусу радиоприбора) — в виде гребенки ‘или треугольника, состоящего из ряда горизонтальных линий и обращенного острым углом вниз (3). Гальванический элемент обозначают двумя вертикальными черточками — короткой и длинной, а батарею элементов — чередующимися короткими и длинными черточками (4).
В любом ламповом радиоприемнике можно найти сопротивления — детали, позволяющие от одной батареи или выпрямителя получать разные электрические напряжения. Устройство сопротивлений различно. Обычно они представляют собой цилиндрики из фарфора, пластмассы или какого-либо иного изолятора, на которые нанесен проводящий слой, имеющий нужное сопротивление электрическому тоцу. Иногда на цилиндрик наматывают проволочную спираль из особого сплава, обладающего большим сопротивлением. Сопротивления изображаются на схемах в виде прямоугольников или зигзагообразных линий (5).
В радиоаппаратуре применяются и переменные сопротивления, величину которых можно регулировать. Они имеют выводы от одного или от обоих концов и подвижного контакта. Подвижной контакт изображается на схемах стрелкой (6).
Конденсаторы обозначаются двумя короткими параллельными линиями. Так называемые электролитические конденсаторы большой емкости, применяемые для сглаживания пульсаций выпрямленного тока, изображаются так же, только параллельные линии окружаются пунктирным кружком и, кроме того, указывается полярность выводов (знаки плюс и минус) (7).
Почти в любом радиоаппарате имеются конденсаторы переменной емкости. С их помощью изменяют настройку колебаюльпых контуров.
0
На условном обозначении такого конденсатора ставят стрелку. В современных приемниках несколько отдельных конденсаторов переменной емкости объединяют в один агрегат с общей сетью. Стрелки на условных обозначениях конденсаторов, входящих в состав агрегата, соединяют пунктирной линией (8).
Катушки индуктивности изображаются на схемах в виде винтовой линии (9).
На следующих рисунках вы видите обозначения подстроечного конденсатора (его емкость можно изменять в небольших пределах) (10), выключателя (И), переключателя диапазонов (с его помощью можно включать, выключать или менять местами несколько катушек либо конденсаторов одновременно) (12). Далее следуют условные обозначения детектора (13), телефонных наушников (14), громкоговорителя с постоянным магнитом (15) и электромагнитом (16), граммофонного звукоснимателя (17). А вот как обозначается дроссель (катушка индуктивности с железным сердечником) (18), трансформатор с двумя (19) и несколькими (20) обмотками.
Особую группу составляют условные изображения различных электронных ламп. Лампа изображается в виде круга или овала. Аноды обозначаются короткими жирными линиями, похожими на перевернутые молоточки. Сетки имеют вид пунктирных линий. На схеме нить накала помечают тонкой петелькой. Если нить питается переменным током (например, в сетевых приемниках), то ее помещают внутрь фарфоровой трубочки, на которую сверху надевают металлическую оболочку — собственно катод. В таких лампах пить накала выполняет только роль печки, катодом она не служит. Дело в том, что при питании переменным током сила тока, текущего через нить, все время меняется. Значит, температура тонкой нити также изменяется сто раз в секунду. Количество электронов, которые нить
«выбрасывает» в пространство, колеблется. В результате бывает слышно характерное гудение — фон переменного тока. «Подогревный» катод позволяет избавиться от этого неприятного явления. Фарфоровая трубочка сглаживает колебания температуры, электроны испускаются равномерно, фон исчезает. В отличие от катода прямого накала (нити) подогревный катод изображается в виде жирной дужки.
Часто в одном баллоне прячется целое семейство ламп. Такие лампы называют комбинированными. На рисунках даны условные изображения некоторых из них. Двойной диод с подогревными катодами (21). Здесь в одном металлическом корпусе спрятаны две двухэлектродные лампы, каждая из которых действует самостоятельно. Далее — вы узнаете? — идет обычный триод (22). А вот ниже — Двойной триод (23). Между прочим, две лампы, как это видно из схемы, могут довольствоваться одним общим катодом! Затем следует обозначение многосеточной лампы — лучевого тетрода (24). Эта лампа стоит на выходе многих приемников и усилителей. В ней две сетки. Усики, соединенные с катодом,—это направляющие электроды, они помогают электронам попасть на анод.
На двух следующих рисунках (25,26) изображены батарейные лампы «пальчиковой» серии с катодами прямого накала. Каждая из них меньше мизинца, оттого их и называют пальчиковыми. Первая лампа — пентод (25). В ней целые три сетки. Нижняя сетка — управляющая. Две другие — вспомогательные, они улучшают работу лампы на высоких частотах. Другая лампа — так называемый диод-пентод — (26). Это опять-таки две лампы — диод и пентод — с общим катодом. А следующая лампа (27) заменяет целых три —один триод и два диода! В приемнике такая замена экономит много места.
Можно было бы привести обозначения многих других типов электронных ламп, но это не имеет смысла. Дело в том, что обозначения ламп, как вы уже заметили, очень похожи друг на друга и представляют собой различные комбинации одних и тех же элементов — анодов, катодов, сегок.
Как видите, усвоить условные обозначения довольно просто. Овладейте этой азбукой радиотехники, и вы сможете понять устройство приемника— ведь листок со схемой может рассказать больше, чем целая глава книжного текста!
РАЗГОВОР НА ВЕСЬ МИР
Теперь, когда мы проникли в тайны «волшебной» лампы, можно перейти к рассказу об аппарате, позволяющем разговаривать со всем миром.
Современный радиопередатчик — сложное устройство. Но понять, как он действует, нетрудно. Для этого нужно познакомиться с простым механизмом, который имеет с передатчиком ряд общих черт. Этот механизм — обыкновенные стенные часы.
Качните маятник незаведенных часов. Он начнет колебаться, одпако размах его колебаний будет постепенно уменьшаться, пока, наконец, маятник не остановится. Такие колебания называют затухающими. Затухание происходит из-за трения маятника в опорах, сопротивления воздуха и т. д.
Чтобы колебания но затухали, необходимо все время восполнять потери энергии. В часовом механизме для этого служат пружина или гири. Заводя пружину, вы совершаете какую-то работу, расходуете определенную энергию. Эта энергия накапливается в пружине.
Пружина упруга. Ес естественное стремление — выпрямиться, принять первоначальную форму. Сила, с которой она раскручивается, передается маятнику через систему зубчатых
ЗАТУХАЮЩИЕ И НЕЗАТУХАЮЩИЕ. Чтобы колебания не затухали, необходимо все время восполнять потерю энергии, вызываемую трением. В часовом механизме для этого служит пружина или гири.
колес. Маятник, получая толчки в такт своим колебаниям (это обеспечивают зубчатые колеса), колеблется с одинаковым размахом, пока пружина не раскрутится настолько, что перестанет восполнять потери энергии при колебаниях.
Колебания, происходящие с одинаковым размахом, называют незатухающими.
Таким образом, часы состоят из трех основных частей. Одна из них — маятник — создает колебания определенной частоты (частота колебаний маятника зависит от его длины). Вторая часть — пружина — служит источником энергии, восполняющим потери в маятнике. Третья — зубчатый механизм — передает энергию от пружины к маятнику.
В часах энергия, накопленная пружиной, переходит в энергию колебаний маятника. Нечто подобное наблюдается и в радиопередатчике. Там энергия постоянного тока, накопленная источником электричества, преобразуется в энергию электрических колебаний. Роль маятника в современном передатчике играет колебательный контур, роль пружины — источник постоянного тока и, наконец, роль зубчатого механизма — электронная лампа.
Как же устроен и работает ламповый радиопередатчик? Простейший генератор отличается от ужо знакомого нам усилителя лишь одной особенностью: генератор усиливает свои же собственные колебания. Ламповый усилитель очень легко превратить в радиопередатчик. Нужно только, чтобы часть энергии с выхода лампы все время возвращалась на ее вход.
Взгляните на схему лампового генератора. Вы видите катушку индуктивности, включенную в анодную цепь лампы. Она называется катушкой обратной связи. Ее электромагнитное 48
поле пронизывает катушку колебательного контура, включенного между сеткой и катодом. Под влиянием этого поля в контуре возбуждаются электрические колебания, которые затем усиливаются лампой и снова попадают в катушку обратной связи.
Получается замкнутый круг: колебания, происходящие в катушке обратной связи, «раскачивают» колебательный контур. Колебания в контуре поступают на сетку лампы, усиливаются и опять проходят через катушку обратной связи. Генератор все время как бы сам себя возбуждает. Поэтому он получил назва
ние генератора с самовозбуждением.
Но в самый первый момент в контуре еще нет колебаний и, стало быть, нечего усиливать. Как же зарождаются колебания? Ведь для того, чтобы, например, начал колебаться маятник в стенных часах, необходим внешний толчок, который вывел бы ого из положения равновесия.
В радиопередатчике роль такого толчка играет мгновенный импульс тока, возникающий при включении батареи.
В начальный момент колебательный контур генератора находится как бы в состоянии неустойчивого равновесия. Достаточно незначительно измениться анодному току генераторной лампы, ив контуре появляются едва заметные колебания. Они усиливаются лампой. Часть усиленных колебаний «ответвляется» через катушку обратной связи во входную цепь лампы
ПРОСТЕЙШИЙ ГЕНЕРАТОР ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ УСИЛИТЕЛЯ ЛИШЬ ОДНОЙ ОСОБЕННОСТЬЮ: ГЕНЕРАТОР УСИЛИВАЕТ СВОИ ЖЕ СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ. В ламповом генераторе часть энергии с выхода лампы все время возвращается на ее вход. Это достигается благодаря катушке обратной связи (в пени анода). Получается замкнутый круг. Генератор все время как бы сам себя возбуждает, поэтому он и получил название генератора с самовозбуждением.
и вновь усиливается. Размах электрических колебаний в контуре постепенно возрастает, пока не достигнет своей максимальной величины.
Современные передатчики устроены более сложно. В них, как и в радиоусилителях, много ламп. Это объясняется тем, что простейший генератор с самовозбуждением создает колебания с устойчивой частотой только тогда, когда его мощность невелика (намного меньше, чем у обычной осветительной электролампочки). Поэтому мощность радиопередатчика приходится усиливать с помощью ряда усилительных ступеней. Имеются сложные генераторы, в которых колебания, создаваемые в первой ступени, усиливаются последующими. Такие генераторы в отличие от простейших, называются генераторами с независимым возбуждением.
Передатчики, подобные тем, с устройством которых мы сейчас познакомились, применяются для передачи телеграфных сигналов — коротких и длинных серий электромагнитных волн. С этой целью периодически включают и выключают генератор по правилам телеграфной азбуки. Радист на приемной станции слышит работу передатчика не все время, а только в те моменты, когда включен ток. Комбинируя в уме услышанные сигналы, радист записывает радиограмму на листе бумаги.
Сигналы такого передатчика могут быть приняты и автоматическим радиотелеграфным аппаратом, прообраз которого был создан А. С. Поповым.
Сложнее обстоит дело при радиотелефонной передаче. Ведь здесь передается живая человеческая речь и музыка, а не точки и тире телеграфной азбуки!
Радиосвязь основана на электрических процессах — излучении, распространении и приеме электромагнитных волн. Значит, чтобы передать речь, музыку или иные звуки по радио, их нужно каким-то путем преобразовать в колебания электрического тока. Впрочем, это умели делать еще задолго до изобретения радио и применяли в обычной проводной телефонии.
Вот как устроен простейший микрофон — прибор, превращающий звуковые волны в электрические колебания. Он состоит из корпуса, похожего на крошечную металлическую чашку, графитовой пластинки-мембраны, прикрывающей эту чашку сверху, изолированного контакта, который вделан в корпус, и угольного порошка, заполняющего пространство между мембраной и контактом.
Если между изолированным контактом и корпусом микрофона включить электрическую батарею, то через угольный порошок побегут электроны. Сила тока будет зависеть от того, насколько порошок сдавлен. Рыхлая угольная масса, состоящая из множества крупинок, оказывает электрическому току
БЕГ С ПРЕПЯТСТВИЯМИ. Такой бег совершают электроны через угольный порошок в микрофоне. Чем более рыхла масса, тем труднее бег, тем меньше электронов достигает «финиша». И, наоборот, при уплотнении порошка новые и новые «бегуны» включаются в «кросс» по пересеченной местности.
большое сопротивление. Если же надавить на мембрану, то порошок станет более плотным, его крупинки теснее сомкнутся друг с другом, и пх сопротивление электрическому току уменьшится. А от величины сопротивления цепи зависит сила тока. Чем меньше сопротивление, тем больше сила тока. Периодически надавливая на мембрану, можно изменять сопротивление угольного порошка, а значит, и силу тока, проходящего через микрофон.
То же самое происходит, когда на микрофон давят звуковые волны. Встречая мембрану, они раскачивают ее, заставляют колебаться. При этом и сила тока в цепи микрофона также начинает пульсировать в полном соответствии со звуковыми колебаниями.
Так звук превращается в колебания электрического тока. Как бы ни был сложен звук, какие бы тончайшие оттенки он ни принимал, всегда можно получить колебания электрического тока, в точности ому соответствующие.
«Озвученное» электричество легко передать по проводам на любое расстояние, как передают обычный электрический ток. А там его можно снова превратить в звук. Делается это очень просто с помощью всем известных приборов: телефонных наушников и громкоговорителей.
СИЛА ТОКА	СИЛА ТОКА	СИЛА ГОЛА	СИЛА Т<ОЗД
ОТ МИКРОФОНА ДО РАДИОПРИЕМНИКА. «Внимание, говорит Москва!» — голос диктора заставляет колебаться мембрану микрофона.Ток, текущий через микрофон, также колеблется в такт звуку (А).
Пульсирующий ток из микрофона поступает в усилитель и после соответствующей «обработки» управляет размахом высокочастотных колебаний в радиопередатчике. Как видите, размах этих колебаний меняется тоже в такт звуку. Так же изменяется и энергия радиоволн, излучаемых передающей антенной (Б).
Но вот радиоволны «пойманы» антенной приемника, которая снова пре? вратила их в токи высокой частоты. Эти токи усиливаются и детектируются двухэлектродной лампой. В результате детектирования образуется ряд импульсов постоянного тока, высота которых изменяется в такт все тем же звуковым колебаниям (В).
Теперь остается выделить «огибающую» импульсов — колебания звуковой частоты. Это делается с помощью конденсатора, пропускающего переменный ток и задерживающего постоянный. Колебания звуковой частоты усиливаются и поступают на громкоговоритель. И мы слышим слова, только что произнесенные диктором (Г).
Устройство телефонного наушника несложно. На магнитный сердечник надета проволочная катушка. Поблизости от сердечника расположена мембрана из тонкой жести. Эта мембрана притягивается к сердечнику с определенной силой.
Если через катушку пропустить постоянный электрический ток, то возбуждаемые им магнитные силы, взаимодействуя с магнитной силой сердечника, увеличивают или уменьшают притяжение мембраны (это зависит от направления тока). Если через катушку течет переменный ток, то сила, воздействующая на мембрану, изменяется периодически с частотой этого тока. Поэтому мембрана начинает колебаться. Ее колебания передаются окружающему воздуху, и в нем возникают звуковые волны. Так электричество превращается в звук.
На таком принципе основана обычная телефонная связь. А в области радиотелефонии приходится прибегать к более сложным преобразованиям.
Дело в том, что электрические колебания звуковой частоты можно передавать на значительное расстояние только по проводу. Излучать пх в пространство очень трудно — для этого потребовались бы антенны колоссальных размеров. Кроме того, 52
такие колебания сильно поглощаются атмосферой и быстро затухают.
Ученые нашли способ передавать электрические колебания звуковых частот без проводов на любые расстояния.
Для этой цели, как и при радиотелеграфии, используются электрические колебания радиочастот, в десятки, сотни и многие тысячи раз более высоких, чем звуковые.
Однако между телефонным и телеграфным передатчиками имеется одно существенное различие. Телеграфный радиопередатчик создает электрические колебания, размах которых все время постоянен. Иная картина наблюдается при работе телефонного передатчика. Размах создаваемых им колебаний то и дело изменяется, на первый взгляд, без всякой закономерности. Но на самом деле закономерность есть.
Присмотритесь к линии, которая огибает пики высокочастотных колебаний, создаваемых радиопередатчиком. Именно такой характер имеет пульсация тока, текущего через микрофон, когда на мембрану давят звуковые волны.
Значит, при радиотелефонной передаче звук управляет размахом колебаний в контуре передатчика, а следовательно, и энергией электромагнитных волн.
Вот как это получается.
В радиотелефонном передатчике на управляющую сетку лампы одновременно с высокочастотными колебаниями, идущими через катушку обратной связи, поступают колебания низкой звуковой частоты от микрофона. Ясно, что при этом величина электрического заряда на сетке изменяется двояко: во-первых, очень быстро с высокой частотой и, во-вторых, сравнительно медленно с низкой частотой.
Высокочастотные колебания, усиливаясь лампой, раскачивают колебательный контур, так как он настроен точно на их частоту. Низкочастотные колебания этого делать не могут — контур очень далек от их частоты. Зато они изменяют усиление, производимое лампой, а значит, и размах высокочастотных колебаний в контуре.
Пока диктор молчит, размах высокочастотных колебаний не изменяется. Но стоит ему произнести слово, и размах колебаний начнет увеличиваться и уменьшаться в соответствии с характером звука.
Такой процесс носит название модуляции, а колебания высокой частоты, размах которых меняется по закону звуковых колебаний, называются модулированными.
Итак, прп радиотелефонной передаче звук последовательно превращается сначала в электрические колебания звуковой частоты, как и при обычной проводной телефонии, а затем в модулированные колебания высокой частоты. Эти колебания и
поступают в антенну передатчика. А от нее во все концы земли бегут незримые и неслышные радиоволны. Они несут в себе и отрывистое звучание человеческой речи, и мелодичные переливы музыки.
Радиоволны отличаются необычайной щедростью: они готовы поделиться своей ношей с любым из нас. Включи приемник, настрой его на ту передачу, которая по душе, и слушай.
О
К ТОР АО „МЕТАМОРФОЗА^
На пути от микрофона радиостанции до громкоговорителя звук претерпевает два удивительных превращения: сначала он перестает быть самим собой — «немеет», становится способным преодолевать такие громадные пространства, какие ему до превращения и не снились; наткнувшись где-либо по пути па антенну радиоприемника, «онемевший» звук, словно сказочный оборотень, вновь принимает свое прежнее обличье — становится Звуком в полном смысле слова.
С первой из этих «метаморфоз» — превращением звука в радиоволны — мы ужо знакомы. Посмотрим теперь, как происходит вторая, как с помощью радиоприемника электромагнитные волны преобразуются в звуковые.
Модулированные колебания — переносчики звука. Они напоминают заснятую, по еще не проявленную фотопластинку. На такой пластинке не увидишь никакого изображения. Но это не значит, что его нот. Оно существует в скрытом виде. Чтобы увидеть изображение, нужно обработать пластинку в специальном химическом растворе — проявителе, который делает изображение видимым для человеческого глаза.
Подобно тому, как нельзя видеть непрояв ленный фотосни-
ИМПУЛЬСЫ постоянного ТОКА ДЕЛАЮТ МЕМБРАНУ «ГОВОРЯЩЕЙ». Колебания высокой частоты (сверху) не могут заставить мембрану вибрировать. Иное дело, когда они превратятся в импульсы постоянного тока, действующие в одну сторону. Мембрана не устоит перед их дружным натиском п начнет колебаться, а мы услышим звук.
мок, невозможно услышать и модулированные колебания. Представьте, что антенна радиоприемника присоединена прямо к телефонному наушнику или громкоговорителю. Будет ли слышна радиопередача? Конечно, нет.
Дело здесь не только в том, что энергия радиоволн, улавливаемая антенной, весьма слаба. Даже усилив модулированные колебания во много раз и заставив их проходить через наушник, мы все равно не услышали бы звука.
Когда переменный ток высокой частоты идет через катушку телефонного наушника, магнитная сила, воздействующая на мембрану, изменяется с частотой этого тока, то есть чрезвычайно быстро. В силу инерции мембрана попросту не успевает отклониться в какую-либо одну сторону — так часто меняется направление магнитной силы.
Но допустим на минуту, что мы нашли мембрану, которая совсем не имеет инерции, и что такая «идеальная», не существующая в природе мембрана может колебаться под влиянием магнитного поля высокой частоты. Все равно эти колебания нельзя услышать, потому что их частота лежит далеко за пределами звуковых частот, доступных нашему слуху.
Чтобы услышать радиопередачу, модулированные колебания высокой частоты необходимо выпрямить — превратить в короткие, следующие друг за другом импульсы постоянного тока. Для этого высокочастотные колебания пропускают через двухэлектродную лампу, которая, как нам известно, способна выпрямлять переменные токи.
Кривая модулированных колебаний симметрична. Ее можно сравнить с карточным валетом или королем,
соответствии со зву-
пропустить через ка-в окружающем про-
у которых две головы и два туловища. При выпрямлении одна половина кривой, например нижняя,— срезается. Теперь это ряд одинаково направленных пиков — импульсов постоянного тока, уровень которых меняется в новыми колебаниями.
Импульсы постоянного тока, если их тушку телефонного наушника, возбудят странстве магнитные силы, действующие в одном направлении. При этом мембрана будет испытывать быстрые, следующие друг за другом толчки. Из-за своей инерционности она не сможет откликаться на каждый толчок в отдельности; но поскольку на сей раз толчки направлены в одну сторону, они складываются в единую силу, которая непрерывно изменяется в зависимости от характера звуковых колебаний.
Эта сила заставляет мембрану колебаться, и мы слышим звук, что был произнесен перед микрофоном передатчика и управлял размахом высокочастотных колебаний.
Выявление колебаний звуковой ча-	_
ПРОСТЕЙШИЙ ПРИЕМНИК. СТОТЫ, Происходящее В радиоприемнике, в простейшем детекторном называется детектированием (это слово S”ia,nBO3MSTpa5w: по-русски означает обнаружение). При-станций, антенной (А) служит бор, который занимается этим, известен сети, “^“е^ение^^Г^вод0” под названием детектора. Двухэлек-~™ая0^емжКонденса-тродная лампа — ламповый детектор, тор, включенный между детек-Но evnrPCTnvmT тамиР 6рчпял,птппт.то тором (Д) 11 розеткой’ преграж-по существуют также оезламповые дает дорогу переменному току
нлзкой частоты, текущему в сети, и свободно пропускает электрические колебания высоких радиочастот. В таком приемнике нет колебательного контура для настройки, поэтому он нередко одновременно принимает две-три станции, и в телефонных наушниках (Т) можно услышать репортаж о футболе вместе с камерным концертом. А вот как устроен «настоящий» детекторный приемник. Он уже может настраиваться на какую-либо одну радиостанцию. Грубая настройка осуществляется переключателями П и 11-1, изменяющими число витков в катушке. Более точная настройка производится с помощью конденсатора переменной емкости. Обозначения на схеме: А — антенна, 3 — заземление, -Д — детектор, Т — телефонные трубки.
вые детекторы. Возьмите, например, кусочек сернистого свинца (галена) и коснитесь его поверхности острием стальной пружинки. Вот вам и простейший кристаллический детектор1. Он подобно диоду может выпрямлять переменные токи.
Вы, вероятно, слышали о так называемых детекторных приемниках, в которых нет пи одной лампы.
В них всего две детали: телефонные наушники и детектор. Колебательного контура нет. Поэтому, присоединив к приемнику антенну и заземление, вы услышите передачи нескольких мощных близкорасположенных станций. Они будут слышны одновременно. Например, под звуки симфонического оркестра можно услышать «Пионерскую зорьку»...
Пришлось усложнить приемник — ввести колебательный контур. Изменяя в нем число витков катушки с помощью переключателя и настраивая контур конденсатором переменной емкости, выбирают ту передачу, которую хотят слушать. Вместо антенны в таких приемниках иногда используют один из проводов осветительной сети. Подключаться к проводу нужно обязательно через конденсатор небольшой емкости. Он пропустит токи высокой частоты, возбуждаемые в проводе электромагнитными волнами, и преградит дорогу текущему в сети переменному току низкой частоты, которому в детекторном приемнике делать нечего.
В детекторных приемниках пет усилителя, поэтому громкость передач, принимаемых ими, невелика. В ламповых радиоприемниках электрические колебания многократно усиливаются.
Антенна улавливает колебания самых различных частот. Но, как мы уже говорили, имеется колебательный контур — своеобразный часовой, пропускающий только «своих» — колебания частоты, на которую он настроен. Все другие частоты остаются за порогом.
Выделенные колебания усиливаются и детектируются. Полученные колебания низкой звуковой частоты дополнительно усиливаются и подаются на громкоговоритель.
Так работают простые ламповые радиоприемники, называемые приемниками прямого усиления.
Но современные приемники, так называемые супергетеродины, устроены более сложно.
Дело в том, что не всякие электрические колебания одинаково хорошо поддаются усилению. Чем выше частота колебаний, тем труднее их усиливать. Кроме того, с ростом частоты
1 Принцип действия кристаллического детектора мы подробно рассмотрим в разделе «Соперник «волшебной» лампы».
СМЕШЕНИЕ ЧАСТОТ. В супергетеродинном приемнике специальная преобразовательная лампа смешивает колебания двух разных частот — принимаемого сигнала п гетеродина. В результате образуется новая, промежуточная частота. Она, как- правило, шике, чем частота принимаемого сигнала, ее легче усилить.
ГЕТЕ^ЬИН
ухудшается «избирательность» колебательного контура. Он оказывается не в состоянии «отфильтровывать» колебания близких частот. Помехи радиостанций, работающих на соседних волнах, становятся все сильнее.
Поэтому мы заинтересованы в том, чтобы как-то понизить частоту принимаемых радиоколебаний. Этот процесс преобразования частоты принимаемого сигнала в иную, чаще всего более низкую промежуточную частоту, и характерен для супергетеродинных приемников.
Посмотрим, как работает супергетеродин.
Колебания высокой частоты непосредственно с антенны или после предварительного усиления поступают на сетку преобразовательной лампы. В этой лампе есть и еще одна сетка; на нее подаются колебания, создаваемые гетеродином — маломощным ламповым генератором. Частота колебаний гетеродина несколько* отличается от частоты принимаемого сигнала. В преобразовательной лампе происходит смешение этих частот, в результате чего возникают колебания новой, обычно более
низкой промежуточной частоты1. Она равна разности принимаемой высокой частоты и частоты гетеродина.
В анодную цепь преобразовательной лампы включен контур, настроенный на промежуточную частоту. Он откликается только на ее колебания и не реагирует на колебания других частот.
Колебания промежуточной частоты усиливаются несколькими ламповыми ступенями и затем, как обычно, детектируются.
Для удобства слушателей конденсаторы контуров высокой частоты и гетеродина делаются с общей осью, поэтому контуры настраиваются одной и той же ручкой. Оба контура рассчитаны так, что при любой настройке приемника разность их частот равна промежуточной частоте, которая остается неизменной. Поэтому контур промежуточной частоты настраивается раз и навсегда, и потом его уже не касаются.
Наша промышленность выпускает большое число различных моделей радиоприемников и среди них первоклассные супергетеродины «Мир», «Минск», «Эстония-55», «Люкс». Они способны удовлетворить самого взыскательного слушателя. Эти супергетеродины очень сложны, в них насчитывается до двух десятков ламп. Но все-таки и самый «хитроумный» супергетеродин и простейший детекторный приемник работают в основном по одному и тому же принципу, с которым мы познакомились выше.
1 Если принимаются колебания низкой радиочастоты, промежуточная частота оказывается более высокой. Но на низких радиочастотам работает сравнительно мало станций. У большинства же передатчиков частоты гораздо выше промежуточной.
ПУТЕШЕСТВИЕ ПО ЭФИРУ
В окно врывается мешанина хаотических звуков: отчаянный свист, тут же обрывок речи, снова свист, улюлюканье, кусок какой-то мелодии...
Это какой-то «путешественник» по эфиру крутит ручку настройки своего радиоприемника. Тонкая черта указателя бойко бежит по освещенной шкале. На ней светится надпись: «Диапазон коротких волн» или просто — «к».
Впрочем, какой же это путешественник? Он понятия не имеет, как пользоваться замечательным «транспортным средством», которое идеально подчиняется малейшему повороту «руля». Разве с такой бешеной скоростью носятся по коротким волнам? От такого путешествия, кроме головной боли, ничего не получишь.
А между тем оно может быть увлекательным. Для этого надо изучить особенности маршрутов и средства передвижения.
Начнем с карты маршрутов. Она выглядит не совсем обычно — ни гор на ней не обозначено, ни морей,— одни цифры да черточки. Называется—«шкалой».
Цифры—остановки на нашем пути — означают частоты и
длины волн, а также указывают «местонахождение» радиостанций разных стран. Мы ведь уже знаем, что каждая радиовещательная станция работает на строго определенной, отведенной ей по международному соглашению волне. Значит, с помощью шкалы нетрудно отыскать нужную передачу.
Почему, однако, наше путешествие по эфиру разделено па несколько этапов—так называемых диапазонов? Почему нельзя прямым путем проследовать от начала до конца всего маршрута без пересадки?
Слишком велик маршрут. Как мы уже говорили, полоса электромагнитных колебаний, используемых в радиотехнике, очень широка. Она простирается от нескольких десятков тысяч до многих миллиардов колебаний в секунду. Никакой колебательный контур невозможно перестраивать в таких пределах. Поэтому полосу радиочастот условно разбили на четыре диапазона: длинных, средних, коротких и ультракоротких волн.
Диапазоны коротких и ультракоротких волн для удобства настройки иногда разбивают еще па несколько более мелких участков—поддиапазонов. Чтобы перейти с одного «маршрута» на другой, нужно повернуть ручку переключателя. При этом к конденсатору переменной емкости подключается катушка с большим либо меньшим числом витков. Это позволяет настраивать приемник па любую волну в пределах то одного, то другого диапазона.
Каким образом происходит движение по шкало, как удается нам оседлать одну волну, потом другую, третью?
Поворачивая ручку настройки, мы одновременно вращаем пластины конденсаторов переменной емкости и перестраиваем колебательные контуры с одной частоты на другую. Снаружи приемника, правда, ничего этого на видно. Л если открыть заднюю крышку, то можно проследить, как движутся металлические пластины конденсаторов.
Теперь поговорим о «средствах сообщения»—о радиоволнах, их характере, поведении. Даже радпоспециалисты не сразу разобрались в них, не сразу стали хозяевами эфира.
Первое время для радиовещания и связи применялись только средние и длинные волны. Длина таких волн равнялась сотням и тысячам метров. Более короткие волны считались «бросовыми», непригодными для какого-нибудь практического применения. Это объяснялось следующим.
Передачи длинноволновых станций можно принимать па значительных расстояниях (до нескольких тысяч километров). Громкость приема по мере удаления от передатчика уменьшается плавно, без всяких скачков. Ночью слышимость длипно-
волновых радиопередатчиков несколько возрастает. Средневолновые радиостанции днем слышны хуже, чем те, которые работают на длинных волнах, зато ночью даже не особенно мощная средневолновая станция хорошо слышна.
Что же касается коротких волн (длиной от ста до десяти метров), то их энергия по мере удаления от передатчика сначала очень резко убывает.
Короткие волны, как волны третьего сорта, передали в пользование радиолюбителям. Но вскоре оказалось, что с помощью маленьких коротковолновых передатчиков можно вести связь на огромных расстояниях — между двумя противоположными точками земли.
Вот что произошло более тридцати лет назад, на заре советского коротковолнового радиолюбительства.
Летом 1923 года молодой нижегородец Ф. А. Лбов получил разрешение на устройство любительской радиотелеграфной станции с передатчиком «мощностью до лошадиной силы и длиною волны не свыше 200 метров». Много труда потратил Лбов на строительство своей радиостанции — ведь радиомагазинов тогда не было, почти все приходилось делать своими руками.
Но вот передатчик построен. Лбов вместе со своим другом и «ассистентом» В. М. Петровым «выходит» в эфир. Неопытная еще рука неловко отстукивает на телеграфном ключе позывные первой в СССР коротковолновой любительской радиостанции. «Здесь Нижний Новгород. Любительская станция Р1ФЛ. Кто меня слышит, сообщите по адресу...»
Прошли сутки, и Лбов получил телеграмму из Шергата (близ Мосула). Сигналы русского коротковолнового передатчика были услышаны на расстоянии 3 000 километров!
Первое время успехи радиолюбителей-коротковолновиков казались чем-то совершенно невероятным, почти абсурдным. И неудивительно: в соседнем городе, в сотне километров от передатчика нет даже намека на его сигналы, а где-то на противоположной стороне земного шара передача принимается очень хорошо.
Загадочное поведение коротких волн теперь объяснено.
Ученые выяснили, что в распространении радиоволн большую роль играет атмосфера — воздушное покрывало, окутывающее нашу землю.
Земная атмосфера состоит из трех слоев. Первый из них называется тропосферой. Его верхняя граница проходит примерно в И километрах от поверхности земли. Над ним, на высоте до 50 километров, лежит стратосфера. Наконец самый верхний слой носит название ионосферы. Именно он оказывает решающее влияние на характер распространения радиоволн.
Название «ионосфера» происходит от слова «ион». Ион — это электрически заряженный атом, то есть атом, приобретший или, наоборот, утративший некоторое количество электронов. Ионосфера содержит множество положительных попов и потерянных ими свободных электронов, благодаря чему может проводить электрический ток. Она обладает способностью преломлять радиоволны, а иногда и отбрасывать их обратно па землю, как зеркало отбрасывает луч света. Ионосферу часто сравнивают с огромным сферическим зеркалом, незримо окружающим пашу землю.
Влияние, оказываемое этим «зеркалом» на распространение радиоволн, было изучено и объяснено известным советским ученым М. В. Шулейкиным еще в 1920 году.
Распространение электромагнитной энергии происходит по двум путям — вдоль земной поверхности и под некоторым углом к ней. Волна, распространяющаяся первым путем, называется поверхностной, вторым — пространственной. Пространственная волна, покинув землю, идет в атмосфере, пока не натолкнется на ионосферный слой. Будучи отражена ионосферой, она изменяет направление своего движения и возвращается на землю в месте, значительно удаленном от точки излучения. Как видим, такая волна распространяется гигантским скачком на огромные расстояния. Ясно, что сигналы, переносимые ею, можно услышать только там, где она возвращается на землю, подобно тому как солнечный зайчик виден лишь на том месте, куда падает отраженный зеркалом луч света.
В зависимости от длины электромагнитных волн распространение энергии происходит в основном либо вдоль земли, либо в атмосфере, либо обоими путями одновременно.
Длинные волны движутся вдоль земной поверхности и хорошо огибают кривизну земли. Они распространяются также в атмосфере, причем роль пространственной волны в этом случае возрастает с расстоянием. Так, например, на расстоянии до 300 километров от источника излучения наблюдается лишь поверхностная волна, от 300 до 3 000 километров проходят как поверхностная, так и пространственная волны, а за 3 000 километров преобладает пространственная волна.
Средние волны гораздо сильнее поглощаются поверхностью земли и хуже огибают ее кривизну. Все же такая поверхностная волна успевает пробежать до 1 000 километров, прежде чем полностью затухнет.
Короткие волны распространяются вдоль земли очень плохо: сильно поглощаются ее поверхностью и с трудом огибают кривизну земного шара. Поэтому главную роль в распространении электромагнитной энергии играет здесь пространственная волна. Если, настроив приемник на какую-либо близкую корот-
цоволновую радиостанцию, сесть с ним в поезд и поехать, то слышимость начнет быстро уменьшаться, и вскоре прием совершенно прекратится. Несколько сот или даже тысяч километров мы будем двигаться по «зоне молчания», а затем снова станет слышна передача. Это поезд встретился с пространственной короткой волной, отразившейся от ионосферы.
Величина зоны молчания зависит от состояния ионосферы — от ее высоты и насыщенности свободными электронами. Состояние ионосферы, в свою очередь, связано с солнечным излучением. Всякое изменение в деятельности Солнца сказывается на концентрации электронов в ионосфере. Так, например, в течение суток густота заряженных частиц резко меняется; ночью поглощение энергии пространственной волны ионосферой во много раз уменьшается, а отражение — увеличивается, поэтому в часы темноты громкость длинноволновых и особенно средневолновых радиостанций заметно возрастает.
Короткие волны атмосфера поглощает меньше. Отсюда — «дальнобойность» маломощных коротковолновых передатчиков.
Чтобы поддерживать бесперебойную радиосвязь на каком угодно расстоянии, во всякое время суток и в любую радиопогоду, нужно умело выбирать наиболее подходящую длину волны. Радисты хорошо знают: короткие волны различной длины хотя и похожи друг на друга, но все же ведут себя неодинаково. Одни лучше распространяются днем, другие — ночью. У одних зона молчания шире, у других уже. Изучив свойства волн, можно определить, куда попадут они после отражения от ионосферы.
Радиостанции, которые должны обслуживать передачами огромную территорию, не оставляя на ней «зон молчания», работают на длинных волнах.
Радиостанции, обслуживающие определенные районы, расположенные на больших расстояниях от передатчика, работают на коротких волнах. На этом диапазоне ведутся радиопередачи для зарубежных стран, радиосвязи между Москвой и столицами союзных республик, крупными культурными и промышленными центрами и т. д.
На коротких волнах работают многочисленные самолетные и корабельные установки, радиостанции экспедиций и специальных служб. Здесь на волнах 160, 80, 40, 20, 14 и 10 метров можно услышать и позывные радиолюбительских передатчиков.
По мере развития радиотехники внимание инженеров и ученых привлекали все более короткие волны. Это объяснялось теснотой в эфире, которая усиливалась с увеличением числа радиостанций.
Каждая радиовещательная станция занимает в эфире некоторую «полоску»: помимо основной волны, длину которой часто
называют в начале передачи (например, 1744 метра или 31 метр), в пространство излучается ряд дополнительных «боковых» волн, возникающих в результате модуляции (наложения звуковых частот). Поэтому основные волны различных радиостанций не должны быть слишком близки друг к другу, в противном случае из-за взаимодействия боковых волн появятся помехи.
И вот оказывается, что на разных диапазонах радиоволн удается разместить неодинаковое число радиостанций. Несведущему человеку покажется, что диапазон от 10 000 метров до 1000 метров намного вместительней, чем, скажем, от 100 до 10. На деле же получается совсем наоборот.
Диапазон от 10000 до 1000 метров вмещает всего 30 радиотелефонных станций. На участке от 1 000 до 100 метров можно разместить уже 300 радиостанций. Еще «просторнее» диапазон От 100 до 10 метров. Он способен вместить 3 000 станций! Опытный, знающий «путешественник по эфиру», конечно, не понесется галопом вдоль шкалы коротких волн. Он будет пробираться осторожно, еле поворачивая чуткую ручку настройки.
Участок от 10 до 1 метра может дать место 30000 радиовещательных станций!
Почему же так получается?
Вспомните, какова взаимосвязь между длиной волны и частотой колебаний. Чтобы узнать частоту колебаний, нужно скорость распространения волны (300 000 километров в секунду) поделить на ее длину. Так, длина волны 10 000 метров соответствует частоте 30 000 колебаний в секунду. Л волна длиной в 1 000 метров возникает при частоте 300 000 колебаний в секунду.
Значит, диапазон от 10000 до 1000 метров занимает полосу частот от 30 000 до 300 000 колебаний в секунду.
Вычислим ширину этой полосы: 300000—30000=270000 колебаний в секунду.
Каждая радиовещательная станция, независимо от длины волны, занимает полосу частот, равную приблизительно 9 000 колебаний в секунду (например, от 30 000 до 39 000). Таким образом, во всем нашем диапазоне поместится 270 000 : 9 000=30 радиовещательных станций. Так же подсчитывается и число станций в любом другом диапазоне.
Особенно вместителен диапазон ультракоротких волн (короче 10 метров), Однако довольно долго он был не у дел. Считалось, что ультракороткие волны совершенно непригодны для уверенной дальней связи.
Поверхностная волна этого диапазона интенсивно поглощается почвой и быстро затухает, особенно на пересеченной или в лесистой местности и в городах. Кривизна земли оказывается для нее почти непреодолимым препятствием. Простран-66
ственная же волна обычно не отражается ионосферой, а проходит ее насквозь, как луч света через оконное стекло. Ионосферное «зеркало» прозрачно для ультракоротких волн.
Но вместе с том ультракороткие волны обладают и несомненными достоинствами. Их, например, можно посылать очень узким пучком. На этом основано действие радиолокаторов. На ультракоротких волнах мало помех, и качество радиопередач здесь выше, чем на других диапазонах.
Так неужели нельзя каким-либо способом увеличить «дальнобойность» ультракоротковолновых станций?
Долго трудились ученые над решением этой проблемы.
В 1921 году советский ученый В. И. Коваленков изобрел так называемую радиорелейную связь. Линия радиорелейной связи представляет собой цепочку сравнительно маломощных приемопередающих радиостанций, работающих на ультракоротких волнах и находящихся в пределах прямой видимости одна от другой (ведь до самого последнего времени считалось, что ультракоротковолновая связь возможна лишь в таких пределах). Сигналы, посланные узким пучком с одной станции, принимаются па второй, усиливаются, затем передаются на третью, снова усиливаются и т. д,
В то время изобретение Коваленкова не было использовано — в нем еще не испытывали острой необходимости. Но после второй мировой войны радиорелейная связь получила общее признание, Сейчас почти вся Европа покрыта сетью радиорелейных линий. Есть они и у пас. В ближайшее время заканчивается сооружение радиорелейных линий из Москвы в Смоленск и Воронеж.
В шестой пятилетке вступят в строй радиорелейные линии общей протяженностью не менее 10 тысяч километров.
Наша промышленность выпускает аппаратуру для радиорелейных линий различных типов. По линии типа «Стрела — М» можно передавать одновременно 60 телефонных переговоров. Вариант этой линии — «Стрела — Т» используется для передачи телевидения. Более совершенна радиорелейная линия типа «Весна». В ней 6 «стволов» — по существу отдельных линий. По каждому стволу передается до 240 телефонных переговоров иди телевизионная программа. Протяженность такой линии достигает 2500 километров. Ретрансляционные станции располагаются примерно через каждые 50 километров.
Как же осуществляется многоканальная связь?
Вспомните, как работает обычный радиотелефонный передатчик. В нем колебания несущей частоты (основной частоты, вырабатываемой генератором) модулируются колебаниями более низкой звуковой частоты.
Этот процесс можно дублировать. Скажем, так: колебания звуковой частоты модулируют колебания высокой частоты, а последние, в свою очередь, модулируют колебания сверхвысокой частоты. Представьте теперь, что в нашем распоряжении имеется ряд длинноволновых радиотелефонных передатчиков, работающих на смежных частотах или, как еще говорят, на соседних каналах. Что будет, если модулированными колебаниями этих передатчиков в свою очередь модулировать колебания какого-то одного ультракоротковолнового передатчика? Произойдет вот что. Весь спектр частот, занимаемый нашими длинноволновыми передатчиками, «переселится» из тесного, перенаселенного диапазона длинных волн в просторный ультракоротковолновый диапазон. И вся масса телефонных переговоров, для которых раньше требовалось множество самостоятельных передатчиков и линий связи, будет теперь обслуживаться одной ультракоротковолновой радиорелейной линией.
Особо важное значение приобретает радиорелейная связь благодаря новейшему открытию, о котором я сейчас вкратце расскажу.
Многие читали сообщения, что некоторым советским телелюбителям удается, правда не регулярно, смотреть передачи зарубежных телевизионных центров. Так, например, мастер шахты «Кукрусе» близ Кохтла-Ярве (Эстонская ССР) Хейнар Там-мет на телевизоре «Ленинград Т-2» с двухламповой усилительной приставкой летом и осенью 1956 года довольно часто принимал передачи телецентров Чехословакии, Германии, Англии, Италии и Швейцарии.
Ученые разгадали причину такого явления и научились его использовать.
Как выяснилось, ионосфера не вполне однородна. Из мирового пространства в нее вторгается множество частиц метеорной пыли; обычно они сгорают, не достигнув земли. Эти микроско* пические метеоры оставляют за собой следы, состоящие из сильно ионизированного (электрически заряженного) газа. Так в ионосфере возникают неоднородности. Они рассеивают энергию радиоволн, подобно тому как мельчайшие водяные капельки облаков или тумана вызывают рассеяние световых лучей.
Такое рассеяние и было использовано, чтобы обеспечить устойчивую дальнюю связь на ультракоротких волнах. Вот как это происходит.
Специальные направленные антенны посылают пучок радиоволн под очень небольшим углом к горизонту. Достигнув ионосферы, волна проходит сквозь нее, но часть энергии рассеивается неоднородностями. Антенна радиоприемника направлена точно на то место, где пучок радиоволн соприкасается с ионосферой, и улавливает некоторую часть рассеянной энергии.
Проведенные опыты показали, что ионосферное рассеянное распространение ультракоротких волн позволяет поддерживать связь на расстояниях приблизительно от 1 000 до 1 900 километров. Для такой связи пригодны волны длиной от 10—11 до 5 метров.
Новый вид радиосвязи отличается высокой надежностью. Известно, что в арктических районах обычная радиосвязь нередко нарушается из-за северных сияний, вызываемых «возмущениями» ионосферы. Сигналы же рассеянного распространения в эти периоды становятся даже интенсивнее.
Существует и другая разновидность рассеянного распространения радиоволн — тропосферное рассеяние. Оно происходит в слоях, расположенных значительно ниже ионосферы. Используя это явление, можно поддерживать связь на волнах длиной в несколько сантиметров и на расстояниях до 500 километров.
Опыты по дальней радиосвязи на ультракоротких волнах начались совсем недавно, менее десяти лет назад, но уже достигнуты знаменательные успехи. Используя явление рассеяния радиоволн, можно в несколько раз сократить число станций на радиорелейных линиях, расположив станции уже не в пределах прямой видимости друг от друга, а на значительно больших расстояниях.
Все это надо знать, путешествуя по эфиру.
ПОТОМОК КАРТОННОГО ДИСКА
...Вечер. Свет в комнате погашен, шторы на окне задернуты. На столе — телевизор. Вокруг — голова к голове сидят люди. Один управляет телевизором, другие, не смея шевельнуться, созерцают чудо радиотехники.
Чудо выглядело так: картонный круг, насаженный на ось электрического моторчика, на круге по спиральной линии пробиты отверстия, так что при вращении образуется полоса шириной в несколько сантиметров. Позади круга, на уровне этой полосы, укреплена неоновая лампа. Ее светящийся электрод-экран похож на зеркальце размером со спичечную коробку, если не меньше.
Телевизионный сеанс начался. Оператор приложил большой палец к вращающемуся кругу и начал легонько притормаживать. И вдруг на крошечном экранчике появилось расплывчатое изображение. Вот оно замигало, замельтешило и...исчезло. Видно, оператор переусердствовал — слишком замедлил вращение диска. Не так-то просто держать пальцем изображение!
Эта сценка 25-летней давности. Насколько несовершенным было тогда телевидение, можно судить но статьям, печатавшимся
в журналах того времени. Вот несколько характерных отрывков.
«Перед началом телевизионной передачи происходит немало весьма комичных сцен. Исполнитель привык к обычному театральному гриму. Губы должны быть красными — это закон. Каково же бывает его удивление, когда гример накладывает на губы ... темно-зеленую краску. Его, который переиграл сотни ролей, гримировался под Отелло, под негра и Квазимодо, раскрашивали вдруг в цвета экзотического какаду!..»
«...Известен случай, происшедший в английской телестудии: совершенно черпая кошка вышла на экране... с белым хвостом. Очевидно окраска шерсти хвоста содержала какие-то красноватые оттенки, и таким образом английские телезрители имели возможность увидеть совершенно исключительное явление природы. Подобные случаи нередки и в телестудии на Никольской Ч Однажды некий известный тенор явился на выступление в безукоризненном черном смокинге с шелковыми черными лацканами. Понятно, что никаких подозрений он не возбудил. Как же были поражены техники у контрольного телевизора, когда на экране черными вышли только лацканы, а певец оказался в летнем светлом костюме!»
«...Гимнаст выступал в черных трусах на темном фоне. На экране трусы исчезли. Тогда темный фон сменили на светлый. Получился еще более потрясающий эффект: трусы на экране были видны отчетливо, но... исчез сам гимнаст».
Конечно, столь низкое качество изображения не могло удовлетворить зрителей. Их скорее интересовали виртуозные манипуляции оператора — охота за изображением, чем содержание самой передачи.
Переворот в телевидении произвела электронно-лучевая трубка.
Но прежде чем познакомиться с этим очередным современным чудом, попытаемся вникнуть в сами принципы телевидения.
Поможет нам еще не древний, но уже очень отдаленный предок нынешнего телевизора — телевизор механический.
Изготовить механический телевизор не представляет большого труда.
Вырежем из картона диск и просверлим в нем тридцать отверстий так, чтобы они располагались по спирали на равных расстояниях друг от друга. Теперь насадим наш диск на ось электромоторчика. Позади диска, со стороны моторчика, поместим небольшой фонарик. Вот, собственно, и все.
1 На Никольской ул. (ныне ул. 25 Октября) в Москве помещалась в 30-х годах студия телевидения.
СХЕМА МЕХАНИЧЕСКОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ. Сверху передающая камера, снизу — телевизор. И там и здесь — диски с тридцатью отверстиями. Диски вращаются с одинаковой скоростью. Перед диском передающей камеры расположен объектив, как в фотоаппарате. Позади диска — «электрический глаз» (фотоэлемент). Он превращает падающий на него свет в электрический ток, который после ряда преобразований поступает в антенну телевизионного передатчика. В телевизоре позади вращающегося диска находится неоновая лампа. Она подключена к приемнику вместо громкоговорителя. Неоновая лампа все время мигает — в такт принимаемым сигналам. Проносящиеся перед ней отверстия «развертывают» передаваемое изображение, делают его доступным нашему зрению.
Отверстия на вращающемся диске бегут друг за дружкой, словно гонщики на параллельных дорожках велосипедного трека. И подобно тому, как велосипедисты один за другим проносятся мимо трибун, отверстия на диске поочередно мелькаютпередфона-риком. Каждое отверстие проскакивает перед фонариком по многу раз в секунду — ведь диск вертится очень быстро. Неудивительно, что мы видим не движущуюся световую точку, а целую полоску.
Каждое из тридцати отверстий дает свою полоску, но так как отверстия лежат на спирали, эти полоски располагаются одна над другой, образуя подобие светящегося экрана с очертаниями нашего фонарика.
Подобное явление можно наблюдать, проезжая на велосипеде мимо забора. При быстром движении щели в заборе сливаются, и мы видим все, что за ним делается.
Итак, перед нами светящийся экран, состоящий из ряда параллельных полосок или, как их обычно называют, строк. Представьте теперь, что яркость фонарика, расположенного позади диска, все время меняется. В тот момент, когда перед фонариком пробегает первое отверстие, он светит, скажем, наиболее ярко. Второе отверстие — яркость стала меньше. Третье — фонарик погас вовсе. Четвертое — снова ярко вспыхнул и т. д. Ясно, что в этом случае освещенность экрана будет неодинакова — на нем появятся светлые и темные полосы. Если же яркость фонарика будет меняться настолько быстро, что за это время отверстие не успеет проскочить экран, то на нем возникнут отдельные пятна — а это и есть основа любой, даже самой замысловатой картины.
Передающая телевизионная камера имела почти такое же устройство. Только в диске вместо отверстий — крошечные линзы. Позади диска в телевизионной камере помещался «электрический глаз» — фотоэлемент небольшой приборчик, превращающий энергию света в электроэнергию. Чем ярче освещен фотоэлемент, тем больший ток течет в его цепи.
Непосредственно перед диском устанавливался объектив, как у обычного фотоаппарата. Только изображение проецировалось здесь не на пластинку или матовое стекло, а на диск, служивший «затвором» этого фото- или, скорее, киноаппарата. За один оборот «затвор» срабатывал тридцать раз. Каждое из тридцати окошек, проделанных в диске, проходя перед объективом, пропускало световой луч. В это мгновение свет падал на фотоэлемент, и в цепи возникал электрический ток.
Любое изображение — совокупность темных и светлых пятен. Каждая из линзочек, пересекая проекцию изображения на своей дорожке, пропускает большее или меньшее количество света. Освещенность фотоэлемента все время меняется в зависимости от того, какой участок изображения находится сейчас перед линзой.
Диск развертывает изображение — строка за строкой, образуя длинную ленту, как бы сшитую из темных и светлых лоскутков. Вот почему этот процесс так и называют — «развертка».
Если изображение неподвижно, ленточка, образующаяся при каждом новом обороте диска,— точная копия любой из своих предшественниц.
Так бывает, когда снимают кинокамерой неподвижный предмет.
Один оборот диска как раз и соответствует кадру. Сколько оборотов сделает диск — столько кадров отщелкает телекамера.
Если изображение перед объективом движется, тогда каждый новый кадр будет отличаться от предыдущего.
Посмотрим теперь, как взаимодействуют телевизор и телевизионная камера, каким образом происходит сеанс механического телевидения.
Пусть фотоэлемент через соответствующий усилитель соединен с фонариком телевизора 1 2. Вот мы запустили диск телекамеры. В цепи фотоэлемента начинает пульсировать электрический ток, причем пульсация происходит в полном соответствии с характером передаваемого изображения. Усиленные электрические колебания по проводу поступают к фонарику. Фонарик загорается, его яркость колеблется.
1 О фотоэлементе см. на стр. 193.
2 Эту связь можно осуществить как по проводам, так и по радио.
Запустим теперь диск телевизора. Смотрите, на экране замелькали какие-то неясные полосы, пятна. А где же изображение, почему его нет? Вот почему.
Представьте себе, что вы стоите на железнодорожной платформе. Мимо вас на полном ходу с грохотом проносится курьерский поезд. Он несется так быстро, что вы ничего не успеваете рассмотреть — все слилось в сплошное расплывчатое пятно.
А вот другой пример. Вы смотрите в окошко вагона. Поезд, в котором вы едете, нагоняет другой состав. Вагоны второго поезда медленно плывут перед вашими глазами. В какой-то момент скорости поездов сравнялись. Кажется, что тот, второй, поезд остановился. А ведь на самом деле он идет с большой скоростью!
Нечто похожее происходит и в нашем телевизоре. Его диск вертится пока еще с иной скоростью, чем диск телекамеры. «Затворы» работают несогласованно. Чтобы увидеть изображение, надо еще угнаться за ним! Заставим диски вращаться с одинаковой скоростью, и на экранчике появится долгожданная картинка.
Еще несколько слов о механическом телевизоре. Во-первых, насчет фонарика. Обыкновенная лампочка накаливания здесь не годится. Она обладает большой тепловой инерцией — нить накаляется и гаснет не мгновенно, а спустя некоторое время после включения или выключения тока. Такой фонарик не успевает откликаться на молниеносные колебания тока. Поэтому в механических телевизорах применялись неоновые лампы, которые светятся благодаря электрическому разряду в газе неоне. Свечение газов при прохождении через них электрического тока возникает практически мгновенно и столь же быстро прекращается, когда ток выключают.
Механическая развертка была тридцатистрочной (по количеству отверстий в диске). Картинка на экране телевизора напоминает мозаику, а мозаичное изображение тем совершеннее, чем меньше размер составляющих его элементов. Однако увеличить число строк было практически невозможно. Для этого требовалось либо уменьшать величину отверстий, либо увеличивать размеры диска. Первый вариант приводил к резкому понижению яркости передаваемой картинки, второй — к непомерному усложнению механической системы. В конце концов пришлось отказаться от внешне простого, но бесперспективного механического телевидения и перейти к чисто электронной передаче изображений.
Первый телевизор с электронно-лучевой трубкой построил еще в 1907 году профессор Петербургского технологического института Б. Л. Розинг.
т
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА. Раскаленный катод выбрасывает в пространство полчища электронов. Протиснувшись через отверстие отрицательно заряженного фокусирующего электрода, они узким пучком устремляются к аноду. Разогнавшись, электроны пролетают мимо этого анода и ударяются об экран. По-видимому художники считают, что свечение экрана иенры, которые ------
. . ... вызывают сыплются из глаз незадачливых электронов...
Электронно-лучевая трубка — это особая радиолампа в стеклянном баллоне с большим, слегка выпуклым дном — экраном. Экран покрыт изнутри слоем специального состава, который обладает свойством светиться, когда о него ударяются электроны.
Анод трубки делается в виде пустотелого цилиндра или проводящего слоя, нанесенного на стекло изнутри. На анод подастся большой положительный заряд; под воздействием электрических сил электроны приобретают настолько большую скорость, что, разогнавшись, про
УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ. Положительный заряд на одной из отклоняющих пластин притягивает электроны. Поэтому траектория их полета искривляется. Изменяя заряды на пластинах, можно как угодно изменять направление электронного луча.
носятся мимо анода, притягивающего их, и бомбардируют экран. Однако еще до того, как эта лавина достигает цели, она сжимается в узкий луч о помощью отрицательно заряженных фокусирующих электродов, которые действуют подобно обыкновенной оптической линзе1. В том месте, где электронный луч встречает экран, появляется светящаяся точка.
Направление электронного луча устанавливается с помощью
1 Применяется также магнитная фокусировка с помощью катушек индуктивности.
двух взаимно перпендикулярных пар металлических пластин. На пластины подаются электрические заряды, которые, взаимодействуя с зарядами электронов, отклоняют луч от центрального положения \ В зависимости от величин и знаков зарядов, сосредоточенных на пластинах, электронный луч может перемещаться влево — вправо и вверх — вниз.
Луч на экране трубки быстро перемещается по горизонтали, и в силу инерции нашего зрения мы видим сплошную горизонтальную линию. Если же заставить электронный луч двигаться по экрану так, как движется взгляд при чтении книги, то на экране возникнет светящийся прямоугольник, составленный из многих горизонтальных линий — строк.
В электронно-лучевой трубке, как и в обычной усилительной радиолампе, есть управляющий электрод. Чем больше отрицательный заряд на нем, тем слабее поток электронов и бледнее светящаяся точка на экране.
Управляя интенсивностью луча, можно получить на экране световое изображение. Именно это и происходит вовремя телевизионного сеанса.
При передаче спектакля из студии телевизионного центра оператор нацеливает на артистов объектив аппарата, напоминающего большую фотокамеру. Изображение проецируется на светочувствительный экран — мозаику, состоящую из миллионов отдельных, электрически изолированных частичек. Каждая частичка — тонкая пластинка слюды, на которую нанесен светочувствительный слой. С другой стороны пластинка покрыта металлом. Получается своеобразный конденсатор, способный накапливать электрические заряды.
Под воздействием света каждый из этих микроскопических фотоэлементиков создает свой положительный заряд. Но освещенность экрана в разных местах неодинакова — это зависит от характера изображения. Где она сильнее, там больше и заряд. И вот на экране возникает своего рода электрический фотонегатив — невидимая картинка, образованная положительными зарядами различной величины.
На металлическом слое — второй пластине нашего конденсатора — появляется в точности такое же количество электрических зарядов, только не положительных, а отрицательных (ведь знаки зарядов на пластинах конденсатора всегда противоположны).
Теперь электронную картинку нужно как-то развернуть — превратить в очередь электрических сигналов. Делается это следующим образом.
1 В современных телевизионных трубках чаще применяют магнитные отклоняющие системы, содержащие катушки индуктивности.
ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ
СЕАНС
По светочувствительному экрану, как и в приемной телевизионной трубке, бежит тонкий электронный луч. Касаясь экрана, он оставляет на нем отрицательный заряд, который складывается с положительным зарядом того или иного фотоэлементика и как бы стирает его. А поскольку различные участки экрана заряжены неодинаково, общий заряд на металлическом слое при движении электронного луча все время изменяется, колеблется.
Колебания заряда передаются по проводу на управляющую сетку лампы радиопередатчика и
вызывают периодическое изменение силы его сигналов.
Соответственно изменяется и размах электрических колебаний в телевизионном приемнике. Поступая на управляющий электрод электронно-лучевой трубки, электрические колебания изменяют интенсивность электронного луча и, следовательно, яркость световой точки на экране.
Движение электронных лучей в передающей камере и в приемных трубках строго со
гласовано и происходит с одинаковой скоростью. В любой момент лучи падают на одни и те же места экранов \ Поэтому световая картина на экране приемных трубок в точности воспроизводит изображение, спроецированное на светочувствительный экран передающей каморы.
Какова же четкость картинки при такой передаче?
Английский телевизионный центр Би-Би-Си передает изображения с четкостью 405 строк, французские телецентры ра*
1 Если считать, что сигналы телевизионного передатчика достигают телевизора мгновенно. Практически же на это затрачивается некоторое время. Лучи в передающей камере и приемной трубке движутся с некоторым сдвигом. Луч в телевизоре запаздывает тем сильнее, чем дальше телецентр.
ботают на 819 строках, в Советском Союзе» Соединенных Штатах Америки, Италии, Германии, Бельгии и Дании передача телевидения происходит с четкостью 625 строк.
Мы уже сравнивали телевизионное изображение с мозаичной картинкой. При тридЦатйстрочнОМ телевидении изображение складывается всего лишь из 1 200 элементов. Картинка на экранах современных телевизоров состоит уже из нескольких сот тысяч зернышек. На экране кино воспроизводится около полутора миллионов точек. А всего человеческий глаз может различить до трех миллионов таких составных элементиков.
Таким образом, качество телевизионных изображений всё еще оставляет желать лучшего. Чем же ограничивается четкость современного телевидения?
Чем выше четкость передаваемого изображения, том большую полосу частот занимают телевизионные сигналы. Сигналы механического трйдцатистрочного телевидения довольствовались сравнительно узкой полоской частот. Поэтому передачи низкокачественных изображений велись на средних волнах; их можно было смотреть на расстояниях в тысячи километров. А прй существующем ныне стандарте телевидению требуется в тысячи раз больше простора в эфире» чем обычным радиовещательным станциям. Вот почему высококачественные телевизионные передачи ведутся в диапазоне ультракоротких волн — на длинных, средних и даже коротких волнах и без того уже слишком тесно!
Современные телецентры имеют малый радиус действия. Передачи удовлетворительно принимаются на расстоянии всего лишь ста, от силы двухсот километров.
Как можно исправить этот недостаток современного телевидения? Ученые идут по пути создания трансляционных систем, позволяющих передавать телевизионные программы на большие расстояния. В состав трансляционных систем входят кабельные и радиорелейные линии. Так, например, в США около 300 телевизионных центров обслуживают 189 городов. В Западной Европе трансляционная система «Евровидение», покрывающая густой сетью 8 стран, объединяет 41 станцию. По многим трансляционным линиям одновременно Передается несколько программ телевидения. Одна из таких линий, построенная Американской телефонйо-телеграфнОЙ компанией, дает возможность одновременно передавать 6 телевизионных Программ и 7 200 телефонных переговоров.
На границе между Швейцарией и Италией проходит Альпийский хребет» Неприступные Альпы капитулировали перед телевидением. На вершинах Монте-Жоперозо (высота 1 701 метр над уровнем моря), Юнгфрау (3 658 метров) и в городе Шас-серель (1 609 метров) установлены трансляционные радиорелейные станции. Они обеспечивают регулярный обмен йрограм-
мами телевидения между Италией и странами, расположенными по другую сторону Альп.
Еще один пример. С 7 по 17 мая 1954 года в Париже, во дворце Шайо, происходил массовый просмотр кинофильмов. Явление, казалось бы, ничем не примечательное. Но кинофильмы передавались в Париж из города Тура. Телевизионные сигналы проходили через 4 трансляционные станции и улавливались антенной, находящейся на Эйфелевой башне. Оттуда по кабелю они поступали во дворец Шайо. Изображение воспроизводилось на экране размерами 5,1x6,5 метра.
В строительство радиорелейных линий мы пока еще отстаем от некоторых европейских стран и Соединенных Штатов Америки. XX съезд Коммунистической партии наметил пути для быстрой ликвидации этого отставания. Как ужо говорилось, к 1960 году в нашей стране будет построено не мейее 10 000 километров радиорелейных линий. Многие из них будут использоваться и для телевизионного вещания.
Радиорелейные линии позволят обмениваться программами между телецентрами разных городов. Недалек день, когда москвичи получат возможность незримо присутствовать в концертных залах Ленинграда, а ленинградцы станут завсегдатаями Большого театра. Скоро наступит время, когда телевизоры получат такое же распространение, Как и радиоприемники. Уже сейчас они есть почти в каждой московской квартире. Телевизионные передачи смотрят жители Ленинграда, Киева, Новосибирска и других городов.
Наша промышленность выпускает высококачественные телевизоры «Темп-3», «Рекорд», «Янтарь», «Рубин», «Знамя» и др. По своему внешнему виду, устойчивости в работе и качеству изображения они не уступают лучшим заграничным образцам.
Поговорим теперь о некоторых новинках телевидения. Наиболее интересные из них — запись телевизионных передач на магнитную пленку и цветное телевидение.
В разделе «Законсервированный звук» вы познакомитесь с магнитофоном — аппаратом для записи звука на специальную ленту. Оказывается, таким же методом можно записывать и телевизионные сигналы. Телевизионный магнитофон намного сложнее обыкновенного. Лента в нем должна двигаться очень быстро и исключительно равномерно, иначе картинка смажется.
Зазоры в электромагнитных головках телевизионного магнитофона — шириной в микрон! Так что построить его — дело не легкое. Над разрешением этой проблемы трудится сейчас группа сотрудников Всесоюзного института звукозаписи.
У магнитной записи телевидения много преимуществ.
Магнитная лента в отличие от кинопленки не требует какой-либо обработки и тотчас после съемки готова к воспроизведению. Нет сомнения, что в ближайшем будущем запись телевизионных программ станет очень распространенной. Настанет день, когда специальный магнитофон сделается необходимым
ТЕЛЕВИДЕНИЕ И ЦВЕТ. На этом рисунке показан один из простейших (а потому — наиболее понятных) способов передачи цветных изображений. Перед объективом телевизионной камеры и экраном телевизора вращаются с одной и той же скоростью два одинаковых диска с красным, синим и зеленым светофильтрами. Передаваемое изображение как бы расщепляется на части трех этих цветов. Они передаются поочередное большой скоростью. Смена цветов происходит так быстро, что глаз не замечает мелькания. Благодаря «инерции» зрения мы видим не вереницу чередующихся красных, синих и зеленых картинок, а одно многоцветное изображение.
дополнением к телевизору. У многих из нас появятся целые коллекции магнитных лент с записями полюбившихся спектаклей, концертов, кинофильмов.
Не менее заманчивы перспективы цветного телевидения. Все вы знаете, насколько цветной кинофильм эффектнее чем обычный чернобелый. Багряное зарево заката, феерические всплески полярного сияния, все цветовое многообразие природы на экране черно-белого телевизора выглядит чрезвычайно обедненным.
Цветное телевидение — это уже дело не завтрашнего, а сегодняшнего дня.
Существуют разные способы передачи цветных изображений. Вот один из самых простых. Изображение снимается тремя телевизионными
камерами, через три светофильтра — красный, синий и зеленый. Каждый светофильтр пропускает световые лучи лишь определенных цветов.
«Раздробленное» таким образом изображение передается по трем отдельным каналам и принимается на три электронно-лучевые трубки с красным, синим и зеленым экранами. Изобра-
женил, возникающие на этих экранах, с помощью системы зеркал совмещаются на одном общем экране. Получается примерно то же, что при трехцветной типографской печати: сначала картинка печатается одной краской, поверх нее второй, наконец, третьей. Различные комбинации трех красок дают яркое, многоцветное изображение.
Такое же красочное изображение появляется и на экране цветного телевизора.
В Ленинграде, во Всесоюзном научно-исследовательском институте телевидения уже разработан телевизор для приема цветных программ. Цветной телевизор внешне почти не отличается от телевизора «Мир». Управление — как у обычного, добавлены лишь две ручки: для регулировки цветных тонбв и насыщенности цвета. Можно принимать на нем и черно-белые передачи.
Вот что рассказывают очевидцы, наблюдавшие работу нового телевизора.
«Начальник лаборатории позвонил по телефону в соседний корпус и попросил включить передатчик. Мы уселись поудобнее у телевизора, приготовились смотреть цветной кинофильм.
Сначала на экране появилось шесть полос: белая, желтая, сине-зеленая, пурпурная, красная и синяя. По ним отрегулировали тона цветов. Потом мы увидели отдельные кадры из кинофильмов. В натуральных красках, таких же сочных, как в цветном кино, на экране появилась голова девушки в соломенной шляпе, затем охотник, идущий по лесу, женщина, задумчиво сидевшая у фонтана...»
В институте заканчивается также разработка телецентра для передачи цветного изображения. Такие телецентры будут построены в Москве и Ленинграде и начнут опытное телевизионное вещание.
Но роль телевидения не ограничивается нашим бытом — это не только «домашний театр». Телевидение все более внед-дряется в самые различные области науки и техники. Оно, например, позволяет наблюдать подводный мир. В мае 1951 года затонула английская подводная лодка «Эфрей». Поиски лодки велись с помощью специальной телевизионной камеры для подводного видения. Был обследован участок моря площадью около 15 000 квадратных километров. Лодку удалось разыскать.
В 1953 году подводное телевидение применялось при археологических работах в районе Марселя. На глубине 40 метров были найдены древнегреческие сосуды — амфоры, в которых 2 200 лет назад греки возили вино с острова Родос в свою колонию, расположенную близ Марселя.
ВСЕВИДЯЩЕЕ ОКО. Телевизионная камера, установленная на искусственном сйутнйне Земли, приблизит н нам небо, опущенная в морение глубины — покажет жизнь подводного царства.
В устье реки Клайд (Англия) уже несколько лет «дежурят» неподвижная телевизионная камера, дающая возможность ученым непрерывно наблюдать жизнь морских живот-
ных.
Старшим научным сотрудником Пулковской обсерватории Н. Ф. Купревичем разработан телевизионный телескоп. Куп* ревич впервые получил изображение поверхности Луны на телевизионном экране. Интересно, что яркость изображения в 300 раз больше, чем в обычном телескопе!
Это очень важное достижение — оно позволяет получать четкие фотоснимки лунной поверхности при съемке с короткой выдержкой.
Исключительно перспективно применение телевизионных установок в промышленности.
Так, например, в горнорудной промышленности телевизионные установки помогают машинистам экскаваторов вы-
бирать участки для наиболее Продук-
тивпой выработки. Телевизионная камера укрепляется непосредственно над ковшом экскаватора, а телевизор находится в Кабине. Глядя на телевизионный экран, машинист видит крупным планом то место, на которое нацелен ковш.
На Металлургических предприятиях телевизионные установки применяются для управления автоматической заливкой литейных форм. Телевизионные установки располагают в непосредственной близости от расплавленного металла или раскаленной топки.
Сотрудники научно-исследовательского телевизионного института создали серию телевизионных установок для промышленных целей — «ПТУ-0», «ПТУ-1» И «ПТУ-2». Они портативны, экономичны и удобны в эксплуатации.
Особенно Велика роль телевидения В атомной промышленности, где из-за опасности радиоактивных излучений наблюдать производственный процесс «Своими глазами» попросту невозможно.
Большое достоинство телевидения состоит в том* что с его помощью можно с одного центрального пункта следить за объектами, расположенными в разных местах. Так, директор завода, не выходя из кабинета, может видеть все, что делается в любом цехе.
На сортировочной станций под Ленинградом высятся ажурные Мачты, увенчанные гроздью ОслеййТёЛьНО сверкающих прожекторов. На одной из мачт расположена телевизионная камера. Перед диспетчером, сидящим у телевизора, — широкая панорама: скрещивающиеся полоски железнодорожных путей, цепочки составов. Ему легче управлять движением поездов, формировать составы.
Проникает телсвиденйе й в аудиторий учебных заведений* С его помощью студенты могут наблюдать ход хирургических операций, причем с очень близкой дистанции. В обычной операционной это, конечно, невозможно.
Недавно созданный телевизионный микроскоп позволяет большой аудитории изучать процессы, происходящие в мельчайших частичках вещества.
А вот как телевизор может быть использован в помощь рыбакам.
Плывет рыболовецкое судно. В небе над ним жужжит самолет-разведчик. С высоты легче обнаружить косяк рыбы. Как только появится внизу серебристая полоска, летчик тотчас сообщает судну по радио местоположение косяка и направление, в которОхМ тот движется. Для большей верности вниз сбрасываются буйки с яркими флажками. Рыбаки несутся к указанному месту, вымстыВаЮТ невод и.». НёреДКо Вытягивают его пустым.
Добыча, оказывается, успела улизнуть. С корабля ее не разглядишь'— мешают световые блики, скачущие по воде. Получается так, словно судно — слепой, а самолет — поводырь. А нельзя ли сделать рыболовецкий корабль зрячим?
Можно. Представьте, что на самолете имеется телевизионный передатчик, а на судне — телевизор. Найдя косяк рыбы, летчик наводит на него телевизионную камеру и вызывает по радио суда. Придя на место, они включают телевизоры. На экранах отчетливо видны и косяки и сами суда.
Выяснилось, что телевизионная камера с птичьего полета способна «разглядеть» косяки, плывущие даже на большой глубине. Значит, рыболовецкие суда, пользуясь телевидением, наверняка настигнут добычу и забросят неводы не наугад, а в нужном месте. Элемент случайности будет устранен полностью.
То, с чем вы сейчас познакомились,— не абстрактный, беспочвенный проект. Это предложение сделано кандидатом биологических наук А. П. Голенченко, сотрудником Азово-Черноморского института морского рыбного хозяйства и океанографии. Ученые считают, что оно очень перспективно.
Вот какое почетное место в нашей жизни начинает занимать «видение на расстоянии».
Но подлинный расцвет этого открытия впереди. Недавно у нас были проведены опыты по ретрансляции передач Московского телецентра в Минск и другие города. Радиорелейная линия, по которой передавались телевизионные программы, весьма необычна: ретрансляционные станции находились на самолетах, высоко в небе.
Опыты показали, что таким образом можно значительно расширить радиус действия любого телецентра.
А что, если вместо самолетов использовать искусственные спутники Земли? Ясно, что эффект получился бы грандиозный! Широкий веер радиоволн, ретранслируемых со спутника обратно на Землю, покрывал бы обширный участок земной поверхности.
Но ведь спутник не висит на месте, а вращается с колоссальной скоростью и за время телевизионного сеанса миниатюрная «луна» успеет несколько раз обогнуть земной шар!
Оказывается, спутник можно заставить висеть неподвижно над Землей. Для этого он должен вращаться вокруг центра Земли с той же угловой скоростью, с какой вращается наша планета. Ученые подсчитали, что искусственный спутник будет висеть над определенным участком земной поверхности, если его забросить на высоту 35 800 километров и придать ему ско^-рость 3 076 метров в секунду.
А если расположить таким образом несколько спутников це
почкой, на расстоянии в десятки тысяч километров друг от друга, то получится радиорелейная линия, опоясывающая земной шар и соединяющая континенты. Московские телевизионные программы смогут тогда смотреть во Владивостоке!
Наука, техника, народное хозяйство, быт — всюду мы сталкиваемся с телевидением. А пройдет еще несколько лет, и телевизионный экран станет непременной принадлежностью каждого телефонного аппарата. Об этом мечтали авторы научно-фантастических романов. Но ведь мы живем в интереснейшее время, когда фантастика настолько вплетается в обыденную жизнь, что между ними нельзя провести границы. Так и телевидение — из области фантастики незаметно перешло в повседневный быт, стало предметом первой необходимости.
СКВОЗЬ ТУМАН И МЕТЕЛЬ...
«Пи зги не видно»,— мы говорим так, когда туман, метель, непроглядная черная ночь. В это время лучше быть дома или хотя бы поблизости к какому-либо жилью.
А если человек в воздухе или на морс? Как ему — летчику, моряку — избежать опасности, если не видно ни зги?
Помощь окажет «прирученная волна».
Человек своим могучим умом и искусными руками создал себе «искусственное зрение». И называется оно — радиолокацией.
Еще бО^лет тому назад, во время опытов по радиосвязи на Балтийском море, А. С. Попов обнаружил странное явление. Как только между кораблями «Европа» и «Африка», ведущими связь, проходил крейсер «Лейтенант Ильин», прием резко ухудшался.
Мы знаем, что радиоволны отражаются металлами и другими телами, в какой-то мере проводящими электрический ток. Именно такое отражение и ухудшало прием, когда на пути радиоволн встречалось судно.
Позднее, использовав открытие А. С. Попова, ученые создали новую отрасль радиотехники — радиолокацию. Это название
происходит от двух слов. Одно из них — радио — нам уже знакомо. Другое — локацио — на латинском языке означает размещение, расположение. Радиолокация — обнаружение и определение местонахождения различных объектов в воздухе, на воде и на суше посредством радио.
Эта важная область радиоэлектроники основана, во-первых, на способности радиоволн отражаться от препятствия, преграждающего им путь, во-вторых, на возможности посылать радиоволны в виде узкого луча, в третьих, на постоянстве скорости, с которой распространяется радиоволна.
Вот три главных принципа радиолокации.
Понаблюдайте за девочкой, играющей с мячом у стены. Мяч ударяется о твердую каменную поверхность и отскакивает назад. Девочка ловит его, снова бросает, ловит. Радиолокатор занимается примерно тем же, только для него это — не игра. Он бросает в пространство короткую серию радиоволн, или, как еще говорят, импульс. В мгновение ока импульс достигает препятствия, отражается им и возвращается обратно к локатору (конечно, очень ослабленным). Тогда радиолокатор посылает новый импульс, тот вновь отскакивает обратно и т. д.
Наглядное представление о работе радиолокатора дает и луч прожектора. Тонкий, дымящийся столб света пронизывает небо и, постепенно растворяясь, уходит, кажется, к самым звездам. Но вдруг в прожекторный луч из кромешной тьмы влетел самолет. Смотрите, как сразу заискрилась, засверкала серебряная букашка! Это часть световой энергии отразилась от самолета и, вернувшись на землю, попала в глаз наблюдателя.
Прожекторный луч — гигантская указка, с помощью которой легко показать направление на тот или иной объект. Чем тоньше указка, том точнее можно ею маневрировать. Радиолокатор посылает импульсы в виде узких, «остро отточенных» лучей. Антенна этого прибора может поворачиваться подобно прожектору. Невидимый радиолуч обшаривает пространство, пока нс натолкнется на препятствие.
Мы упомянули выше, что радиолокатор дробит радиолуч на отдельные, следующие друг за другом импульсы. Для чего это делается?
Пущенный локатором «мячик» ударяется о стенку (самолета, корабля, здания или любое другое препятствие) и отскакивает обратно. Если нам удастся замерить время, которое затратил этот «мячик» — импульс радиоволн, то, зная его скорость,— около 300000 километров в секунду,— мы узнаем расстояние до объекта.
Но какими часами измерить ничтожно малое время, за которое импульс успевает «слетать» туда и обратно? Секундо-
РАДИОЛУЧ II ЛУЧ СВЕТА. Между лучами, изображенными на этих двух картинках — лишь внешнее сходство. Облако — непреодолимое препятствие для прожектора, а для локатора оно «прозрачно». Радиолуч локатора состоит из коротких, следующих один за другим импульсов. Отразившись от самолета, импульсы возвращаются и улавливаются той'же антенной, после чего сигналы передаются на электронно-лучевую трубку.
мер здесь бесполезен — все путешествие продолжается десятитысячные, а иногда и стотысячные доли секунды!
И вот оказывается, что роль «сверхсекундомера» для измерения ничтожно малых промежутков времени с успехом играет электронно-лучевая трубка — родная сестра той самой трубки, какая есть в любом современном телевизоре.
По экрану электронно-лучевой трубки радиолокатора проходит светящаяся горизонтальная черта — линия развертки. Откуда она берется, — мы уже знаем. Ее вычерчивает тонкий электронный луч. Он движется слева направо, затем мгновенно возвращается в исходную точку, снова идет вправо и т. д. Электронный луч качается, словно часовой маятник, только в одну сторону он движется сравнительно медленно (например, «целую» десятитысячную долю секунды!), а в другую гораздо быстрее (скажем, миллионную долю секунды).
В тот момент, когда луч только-только отходит от начальной точки на линии развертки, радиолокатор посылает в пространство импульс. Одновременно на электроды трубки поступает электрический заряд, отклоняющий пучок электронов вверх. Поэтому в самом начале линии развертки возникает вертикальный «всплеск». Спустя некоторое время импульс, отразившись от обнаруживаемого объекта, возвращается к радиолокатору и улавливается его приемником. За этот промежуток времени электронный луч успевает пробежать какую-то часть линии развертки. Но как только импульс возвратился, на электроды трубки снова поступает заряд, отклоняющий пучок электронов, и на линии развертки появляется новый всплеск. Тем
временем электронный луч продолжает двигаться вправо, достигает края, перескакивает в начальную точку. Радиолокатор посылает новый импульс, и все повторяется.
Таким образом, на экране радиолокационной станции видны два всплеска. Один пз них соответствует моменту посылки импульса, другой — моменту его возвращения. Чем быстрее возвратился импульс, тем ближе второй всплеск к началу линии развертки.
Вот почему по интервалу между всплесками можно судить о расстоянии до обнаруживаемого объекта.
Скорость движения электронного луча заранее известна. Стало быть, известно и время, за которое он проходит любой участок линии развертки. Отсюда мы видим, что интервал между всплесками показывает, сколько времени путешествовал им
СОСТЯЗАНИЯ РАДИОИМПУЛЬСА И ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА. На линии развертки электронно-лучевой трубки видны два всплеска. Они соответствуют моментам «отправления» и «прибытия» импульса, пущенного локатором. Пока электронный луч бежал вдоль развертки от одного всплеска к другому — импульс слетал... к самолету и обратно.
пульс.
На практике дело обстоит совсем просто. Параллельно линии развертки помещается шкала — линейка с делениями. Она непосредственно показывает расстояние до объекта.
Оператор на экране сразу видит, на каком расстоянии находится цель, движется она или стоит на месте. Если цель приближается, то интервал между всплесками сокращается, а если она уходит,— интервал становится все больше.
Итак, радиолокатор указывает точное направление на обнаруживаемый объект и расстояние до него. Этих данных достаточно, чтобы нанести местоположение (координаты) объекта на карту.
Возникла радиолокация сравнительно недавно — перед второй мировой войной. Она стала возможна только тогда, когда научились получать устойчивые ультракороткие волны. Более длинные волны огибают небольшие препятствия, почти
«ЖИВАЯ» КАРТА. В панорамном локаторе антенна вращается. Точно такое же движение совершает линия развертки в электронно-лучевой трубке. Каждая точка на местности имеет своего двойника на экране. Штурман видит «живую» карту в любую, даже облачную погоду.
не отражаясь ими. Чем длиннее волна, тем шире , расплывчатей радиолуч. Вот почему только ультракороткие волны пригодны для радиолокации.
Свое первое практическое применение радиолокация нашла во время второй мировой войны. Вначале радиолокаторы использовались главным образом для обнаружения с земли приближающихся самолетов противника. Затем локаторы стали устанавливаться и на самих самолетах. Появились локационные станции кругового обзора, или панорамные радиолокаторы. На экранах видна как бы пано
рама или, точнее, контурная карта местности, находящейся под самолетом.
Как же работает панорамный локатор?
Антенна радиолокационной станции кругового обзора расположена под фюзеляжем самолета и обращена вниз. Во время работы локатора она совершает вращательное движение. Антенна посылает на землю тонкий веер радиолучей, который проецируется на земной поверхности в виде линии. Вращается антенна—вращается и эта линия, образуя диа
метр гигантской окружности. Центр круга, естественно, ближе к самолету, чем края, путь для импульса в центре наибо-
лее короткий. Вот почему метка, соответствующая середине круга, то есть месту, над которым находится в данный момент самолет, получается в самом начале развертки (в центре
экрана). Линия развертки на экране трубки вращается, словно спица велосипедного колеса. Одному обороту антенны соответствует оборот линии развертки. Каждая точка на местности имеет своего двойника на экране.
Различные точки земной поверхности отражают радиолуч неодинаково: одни — лучше, другие — хуже. Поэтому отраженные импульсы оказываются разными по силе. Попадая в приемник радиолокатора, они управляют интенсивностью электронного луча, как это делается в обычном телевизоре. На линии развертки появляются метки различной яркости. Поскольку линия эта быстро вращается, на экране возникает изображение, повторяющее в общих чертах картину обозреваемой местности. Каждый новый оборот линии развертки обновляет изображение, нарисованное электронным лучом. Таким образом, на экране локационной станции кругового обзора мы видим «живую» карту, на которой помечены и поезда, и корабли, и колонны автомобилей — все то, чего не найдешь на обычных топографических картах, как бы подробны они ни были.
На экране панорамного локатора нанесена особая шкала — серия концентрических окружностей. Центр экрана — начало линии развертки — соответствует месту самой радиолокационной станции, каждая окружность — тому или иному расстоянию. Чем больше радиус окружности, на которой лежит интересующий нас объект, тем дальше он расположен.
Радиолокация стала применяться и на море. Корабельные радиолокаторы коренным образом изменили тактику морского боя.
В мирное время радиолокация обеспечивает безопасность судоходства и самолетовождения. Радиолокаторы имеются па всех крупных самолетах и кораблях. Локационные методы используются в аэропортах для управления посадкой самолетов. Радиолокаторами оснащены и морские порты. Например, в Гаврском порту установлен панорамный локатор, дающий четкое изображение портовых сооружений и кораблей, находящихся на рейде, входящих в порт и покидающих его. С помощью телевизионной установки изображение с экрана радиолокатора передается на корабль. Капитан корабля видит на телевизионном экране положение своего судна и всех остальных судов. Это намного облегчает маневры при входе в порт или выходе в море.
Представляет интерес еще одно, несколько неожиданное применение радиолокации. Она помогает метеорологам предсказывать погоду.
Чтобы узнать, каковы температура, влажность, давление воздуха на различных высотах, применяют так называемый радиозонд — миниатюрный аэростат, несущий метеорологические
приборы и крошечный радиопередатчик, автоматически передающий их показания на землю.
Обычно, пустив радиозонд, за ним наблюдают с помощью специальных зрительных труб с угломерными устройствами, которые позволяют оценить направление и скорость ветра, влекущего за собой радиозонд.
Это легко сделать, когда шар находится в поле зрения. Но стоит ему уйти в облака, скрыться вдумане, и следить за ним становится невозможно. Куда он повернул, откуда доносятся радиосигналы — сказать нельзя.
Вот здесь-то и пригодилось метеорологам «искусственное зрение». За полетом радиозонда стали наблюдать с помощью радиолокатора. Металлические части зонда хорошо отражают электромагнитные импульсы, посылаемые локатором, и на его экране появляется отчетливый всплеск. Теперь, куда бы ни пытался залететь радиозонд, ему все равно не удастся скрыться от зоркого «радиоглаза».
Сам радиозонд тоже требует замены. Поднимается он не так уж высоко, летит медленно.
На смену радиозондам пришли стремительные радиометеорологические ракеты. Эти маленькие стратосферные корабли достигают высоты в сотни километров. И все время за ними неотступно следят локаторы.
Но возможности локационной метеорологии еще шире. Используя волны длиной в несколько миллиметров, можно исследовать облака и туманы. Эти волны отражаются от облаков, причем сила отраженных сигналов тем больше, чем плотнее облака. Значит, по виду картинки на экране панорамного радиолокатора можно судить о характере облачности в большом радиусе. Такой локатор, действующий на миллиметровых волнах, дает возможность наблюдать перемещения многослойных облачных масс, грозовых фронтов, тайфунов. Удалось получить отражение даже от полярных сияний!
Так радиолокация помогает ученым проникнуть в «кухню погоды».
D

ИЗ ПУШКИ ПО ЯДРУ
Мы вступаем в эру атомной энергии. На наших глазах ученые овладели могучей, неиссякаемой силой, которую природа до сих пор держала «под замком». Эта сила заключена в недрах атома, оттого ее и называют атомной энергией.
Как же удалось ученым одержать грандиозную победу над природой, каким ключом открыли хитрый «замок»?
Ключ этот — радиоэлектроника.
Атомные ядра, как и сами атомы, имеют сложное строение. Ядро состоит из мельчайших частиц — протонов и нейтронов. Протон заряжен положительно, у нейтрона вовсе нет заряда.
В ничтожно малом объеме ядра «спрессована» почти вся масса атома, и поэтому оно обладает колоссальной прочностью. Частицы, входящие в состав ядра, удерживаются особыми силами притяжения, которые во много раз больше, чем силы электрического отталкивания, действующие между протонами и стремящиеся разобщить их.
Расщепить атомное ядро на части, осуществить так называемую ядерную реакцию, — чрезвычайно трудно. Для того чтобы оторвать от ядра протон либо нейтрон, нужно побороть колоссальные силы ядерного притяжения.
Только в двадцатом веке ученые научились воздействовать на атомные ядра, изменять их состав, выделять гигантские количества скрытой в них энергии. Как же удалось это сделать?
Чтобы расщепить атомное ядро, необходима «артиллерия», нужны свои сокрушительные снаряды. Важно еще, чтобы не получилось стрельбы «из пушек по воробьям»: снаряд-то не может быть больше цели. А цель в данном случае предельно мала. Тщательно проанализировав наличные «калибры», ученые решили использовать в качестве снарядов... сами ядра, а также частицы, входящие в их состав,— протоны и нейтроны.
Но для того чтобы снаряды обладали силой, способной разрушить самую крепкую из известных нам «конструкций» — ядро атома, им надо придать колоссальную скорость.
Был найден природный источник ядерных снарядов. Им оказался радий. Распадаясь, он непрерывно выбрасывает в окружающее пространство ядра гелия, которые несутся со скоростью 20000 километров в секунду. Еще в 1919 году английский ученый Резерфорд использовал эти снаряды для бомбардировки и расщепления ядер азота.
Но радий чрезвычайно дорог. Кроме того, испускаемые им частицы обладают энергией, еще недостаточной для разрушения ядер многих химических элементов.
И здесь помогла радиоэлектроника.
Роль ядерных пушек, разгоняющих частицы-снаряды до нужной скорости, сыграли сложные радиоэлектронные устройства — так называемые ускорители заряженных частиц.
По принципу действия ускоритель напоминает радиолампу. Электронам, испускаемым раскаленным катодом, придает нужную скорость положительно заряженный анод, который их притягивает. Энергия, приобретаемая электронами в радиолампе, измеряется в условных единицах — электроновольтах. Если, например, напряжение на аноде лампы равно 100 вольтам, то электроны приобретают энергию порядка 100 электроновольт^ В телевизионных трубках анодное напряжение исчисляется тысячами вольт, в рентгеновских — еще выше. Энергия ускоренных частиц достигает в них сотен тысяч электроновольт.
Но для расщепления атомного ядра такой энергии недостаточно. Здесь необходимы миллионы электроновольт. Иными словами, для того чтобы разрушить атомное ядро, нужна энергия, во столько раз большая энергии электронов в радиолампе, во сколько раз сигналы на выходе радиоприемника мощнее, чем на его входе.
А нельзя ли достичь этой величины, непрерывно повышая напряжение на электродах ускорителя? Вначале так и пытались сделать. Не тут-то было! В определенный момент между 96
ПУШКА, СТРЕЛЯЮЩАЯ ПО АТОМНОМУ ЯДРУ. Резервуар, изображенный в верхней часги рисунка, — своеобразный завод, вырабатывающий снаряды для стрельбы по атомному ядру. «Завод» представляет собой гигантскую двухэлектродную лампу, наполненную разреженным водородом. Электроны, несущиеся от катода к аноду, то и дело сталкиваются с атомами водорода. В результате каждого такого столкновения атом лишается своего единственного электрона и превращается в положительно заряженное ядро. Вот и готов снаряд для ядерной пушки. Он устремляется к отрицательному электроду-катоду. В катоде сделано отверстие. «Снаряд» проносится сквозь него и направляется в «ствол» ядерного орудия (он изображен в нижней части рисунка). Здесь, в длинной трубе, воздух из которой откачан мощными насосами, ядро водорода приобретает большую энергию. «Снаряд» готов поразить цель.
электродами проскакивала настоящая молния — мощная электрическая искра. Значит, повышать напряжение можно лишь до известного предела.
Тогда ученые пошли на хитрость. Вместо пары электродов — катода и анода — они взяли ряд металлических цилиндриков и расположили их в одну линию, на определенных расстояниях друг от друга. К этим цилиндрам — электродам подвели электрическое напряжение, только не постоянное, как раньше, а переменное. Частоту электрических колебаний строго согласовали с размерами цилиндриков и расстояниями между ними. При таком устройстве каждый цилиндрик как бы подталкивает пролетающую сквозь него частицу. Толчки следуют друг за другом с частотой переменного напряжения, подведенного к электродам. А поскольку электрические колебания согласованы с движением частиц, то и эти толчки происходят не как попало, а в такт, то есть в одном направлении.
Благодаря резонансу (мы говорили об этом явлении в начале книги) сравнительно малое напряжение способно придать ча
стице колоссальную энергию — десятки миллионов электроновольт.
Ускорители, построенные по такому принципу, называют линейными (ускоряющие электроды расположены здесь вдоль прямой линии). Их недостаток — чрезмерно большие размеры. Например, линейный ускоритель, сообщающий протонам энергию, равную 32 миллионам электроновольт, имеет длину около 20 метров.
Ученые изобрели новый вид ускорителей — циклотрон. В нем движение ускоряемых частиц происходит по спирали. Здесь имеется всего лишь два ускоряющих электрода, но каждая частица проходит их много раз.
Какая же сила заставляет частицы в циклотроне двигаться по спирали? Их держит «на привязи» мощный электромагнит подобно тому, как Луна удерживается притяжением Земли. Если бы скорость частицы была неизменной, частица двигалась бы по круговой траектории. Но следует принять во внимание ускоряющее переменное напряжение, поданное на электроды. Оно заставляет частицу двигаться все быстрее. При этом центробежная сила растет, электромагниту становится все труднее удерживать частицу, и она постепенно удаляется от центра вращения, двигаясь уже не по кругу, а по спирали. Достигнув определенной скорости, частица, словно камень из пращи, устремляется наружу, проходит через отверстие, затянутое тонкой металлической фольгой, и поражает цель.
Линейные ускорители и циклотроны способны придать протонам энергию в несколько десятков миллионов электроновольт. Этого достаточно, чтобы разрушить ядра многих химических элементов. Но наиболее массивные ядра требуют еще более мощной артиллерии.
Чем же ограничивается разрушительная сила циклотрона?
Ученые установили, что масса частицы, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, возрастает. Это явление нарушает согласованность в работе циклотрона. Переменное напряжение перестает подталкивать частицы, а напротив, начинает тормозить их. Дальнейший рост скорости становится невозможным.
Эта серьезная преграда была преодолена в 1944 году советским физиком В. И. Векслером. Он нашел способ компенсировать увеличение массы частиц, движущихся с околосве-товой скоростью. Такое же открытие год спустя сделал американский физик Е. М. Мак-Миллан.
Ученые предложили два пути: либо изменять постепенно частоту переменного напряжения, либо силу электромагнита (конечно, можно одновременно менять и то и другое).
Вскоре был создан новый ускоритель, получивший название синхроциклотрона, или фазотрона. В нем сила электромагнита остается неизменной, а частота ускоряющего переменного напряжения изменяется в зависимости от скорости, которую достигла частица.
Крупнейший в мире синхроциклотрон построен в Советском Союзе Институтом ядерных проблем Академии наук. В этом ускорителе протоны достигают скорости 240 тысяч километров в секунду и приобретают энергию 680 миллионов электроновольт.
Синхроциклотрон Академии наук — колоссальное сооружение, занимающее несколько этажей большого здания. Управление всеми агрегатами ускорителя осуществляется с одного пульта, находящегося в другом корпусе. Между ускорителем и пультом проложено более двухсот километров проводов.
В том же корпусе, где размещается пульт, находится электростанция, питающая постоянным током электромагнит синхроциклотрона. Электромагнит весит 7 тысяч тонн; диаметр его полюсов — 6 метров. Между полюсами расположена вакуумная камера, внутри которой и происходит ускорение частиц. Два мощных насоса откачивают из камеры воздух до давления в одну миллиардную долю атмосферы.
В состав синхроциклотрона входит генератор, мощности которого позавидует иная радиовещательная станция.
Синхроциклотрон отгорожен защитной стеной из бетона, задерживающей радиоактивные излучения. В этой стене проделаны узкие амбразуры, сквозь которые ускоренные частицы тонким пучком вырываются наружу, где воздействуют на различные приборы — счетчики, фотографические камеры и т. д.— или на химические элементы, ядра которых необходимо расщепить.
Был проделан, например, следующий опыт. Тонкую пластинку чистой меди бомбардировали протонами, а затем раство-
ЯДЕРНАЯ ПРАЩА. Перед вамп схема циклотрона В этой ядерпой праще всего два электрода. «Снаряд» движется по спирали. Разгоняет его переменное электрическое напряжение, подведенное к электродам, а роль «привязи» в необычной праще играет мощный электромагнит. Его притяжение удерживает заряженную частицу до тех пор, пока она не приобретет нужной энергии. Тогда «привязь» обрывается, и «снаряд» вылетает
наружу.
10 МИЛЛИАРДОВ ЭЛЕКТРОНОВОЛЬТ! - такую неслыханную энергию приобретает частица в сверхмощном синхрофазотроне, построенном в нашей стране. За три с небольшим секунды частица совершает 4,5 миллиона оборотов, проходя путь, равный двум с половиной расстояниям от Земли до Луны.
рили в азотной кислоте. Химический анализ обнаружил в растворе, помимо меди, цинк, хром, железо, натрий, марганец! Эти элементы возникли в результате расщепления атомных ядер меди.
Синхроциклотрон позволил ученым получить ряд новых ра-
диоактивных веществ («меченых атомов»), применяемых в металлургии, сельском хозяйстве, медицине и т. п. С его помощью был на-
коплен ценный экспериментальный материал, обогативший современную ядерную физику.
Но и синхроциклотрон — не вершина ядерной артиллерии. Уже созданы так называемые синхрофазотроны, в которых
изменяется не только частота переменного напряжения, но и величина магнитного поля. Это дало возможность получить частицы с энергией, исчисляемой миллиардами электроно-вольт.
В США построен синхрофазотрон, сообщающий протонам энергию свыше 6 миллиардов электроновольт. В нашей стране запущен самый мощный в мире синхрофазотрон, обеспечивающий получение потока протонов с энергией в 10 миллиардов электроновольт. Электромагнит такого ускорителя весит 36 тысяч тонн. Путь, проходимый протонами в этом синхрофазотроне, составляет 900 тысяч километров, что в два с лишним раза больше расстояния между Землей и Луной. Каждая частица в процессе ускорения совершает 4,5 миллиона оборотов, затрачивая всего 3,3 секунды.
«В настоящее время ясно,— писал академик В. И. Векслер,— что дальнейшие успехи науки, касающиеся природы ядерных сил, целиком зависят от уровня развития техники ускорителей и идей, вложенных в конструкцию этой мощнейшей ядерной артиллерии.
В этой области несомненно в ближайшее время появятся новые средства, которые позволят еще полнее и более экономично решить интереснейшие задачи современной физики и еще глубже проникнуть в природу материи».
Такова роль радиоэлектроники в дальнейшем прогрессе ядерной физики и атомной энергетики.
Радиоэлектроника и атомная энергия — два величайших достижения современной науки. Они могут служить средством мирного созидания, сделать Землю более удобной, богатой, красивой, а людей — более могучими и счастливыми. Но эти же открытия могут стать орудием разрушения, несущим человечеству неисчислимые беды.
Мы за то, чтобы ядерная пушка никогда не повернулась против своего создателя — человека. В этом с нами солидарны все честные люди, независимо от их политических взглядов. Человечество не позволит кучке поджигателей новой мировой войны воспользоваться в своих гнусных целях удивительнейшим открытием из всех, которые только знает история науки и техники.
ЧЕЛОВЕК И ЕГО СЛУГИ
Слабость мускульных сил человечество ощущало с самого своего детства. Суровая жизнь жестоко расправлялась со слабыми — они погибали от холода, от голода, от более ловких и «вооруженных» природой хищных зверей. Человек искал в окружающем мире, сам придумывал, изобретал, мастерил себе покорных и могучих помощников. Наши предки стремились воспользоваться, где только можно, энергией воды и ветра: строили водяные колеса, ветряные мельницы. В дальнейшем люди научились использовать энергию пара и электричества. Ручной труд стал все более заменяться машинным. Так, на земляных работах лопату заменил экскаватор; кузнецы получили паровой молот, шахтеры — угольный комбайн.
Замену человеческого труда работой различных машин называют механизацией. Однако эта замена не освобождает чело* века от непосредственного активного участия в производственном процессе: он управляет машинами, устанавливает нужный режим, наблюдает за выполнением технологических операций. И при механизации у него остается довольно много трудных обязанностей. Взять, например, токарный станок. Токарь закрепляет заготовку, подводит резец, регулирует подачу. Вот, на
конец, деталь обработана. Теперь ее нужно вынуть, положить на место, приготовить следующую заготовку, вставить ее и т. п.
Управление сложным механизмом требует высокой квалификации. Одно неверное движение — и неизбежен брак.
Более высокая ступень в развитии техники — автоматизация производства. Здесь уже большая часть функций рабочего переходит к автоматически действующей машине. Автоматы самостоятельно обрабатывают изделие; обеспечивают смену заготовок, определенную последовательность операций; поддерживают нужную температуру или, скажем, силу электрического тока; в случае неисправности приостанавливают производственный процесс и подают аварийный сигнал.
Человек уже не принимает непосредственного участия в работе машин, он только налаживает их, время от времени проверяет исправность автоматов.
Внедрение автоматизации в народное хозяйство нашей страны — дело громадной государственной важности. Автоматизация производства резко облегчает труд человека, повышает его производительность, улучшает качество продукции и снижает ее себестоимость.
Большое значение приобретает и телемеханизация производственных процессов. Этот широко распространенный термин нельзя признать удачным. Слово «телемеханизация» означает «механизация на расстоянии». На самом деле под телемеханизацией понимают управление производственными процессами или их контроль на расстоянии.
На многих производствах управление операциями централизовано, осуществляется из одного места. Таково управление стрелками и сигналами светофоров на современных железных дорогах. Но это еще не всегда телемеханизация. Отличительная особенность телемеханических устройств заключается в том, что их действие в значительной мере автоматизировано.
Возьмем автоматический телефон. Вы сами набираете номер, но дальше происходит автоматическое включение именно той линии, которая соответствует набранному номеру. Автоматический телефон — пример телемеханического устройства.
Как видим, автома’тика и телемеханика тесно связаны. Вот почему эти два слова часто произносят вместе.
Автоматизация и телемеханизация производства— ключ к созданию изобилия промышленных товаров в нашей стране, основа технического прогресса в народном хозяйстве.
В Советском Союзе автоматизирована и телемеханизиро-вана значительная часть электростанций, нефтеперерабатывающих заводов, доменных и мартеновских печей. В 1950 году в нашей стране был построен автоматизированный завод алюмй-
ниевых поршней для автомобильных и тракторных двигателей. Общее число рабочих и служащих на таком заводе в 4,2 раза меньше, чем на обычном неавтоматизированном заводе равной мощности. Завод-автомат занимает приблизительно в 3 раза меньше производственных площадей, производительность труда на нем в 9 раз больше, а производственный цикл в 2 раза короче.
В пашей стране действует ряд автоматических заводов по производству бетона. Один из них обслуживается всего лишь 25 рабочими, тогда как при обычном производстве такой мощности требуется более 1 000 рабочих.
Вот какой огромный экономический эффект дает автоматизация!
В недалеком будущем основной формой промышленного производства станут «заводы на замке», выпускающие продукцию без непосредственного участия человека. Над решением этой задачи трудится коллектив Института автоматики и телемеханики Академии наук СССР. Современные автоматические устройства в значительной степени основаны на радиоэлектронных принципах. Без радиоэлектроники невозможно решить проблему комплексной автоматизации.
Радио позволяет неизмеримо усовершенствовать автоматические устройства, сделать их более надежными, более точными.
Технологические процессы на многих производствах часто требуют установления и поддержания определенной температуры. В частности, это необходимо при плавке в электропечи. Существует простейшее автоматическое устройство — биметаллический регулятор температуры. Его основная деталь — пластинка, склепанная из двух металлических полосок. Полоски состоят из разных металлов. При нагреве они расширяются неодинаково: одна больше, другая меньше. В результате при нагревании пластинка коробится.
Биметаллическая пластинка — один из контактов автоматического выключателя электрического тока. Этот автомат включается в электрическую сеть последовательно с нагревательной обмоткой печи. При обычной комнатной температуре контакты замкнуты. Через обмотку течет ток, температура в печи повышается и биметаллическая пластинка начинает понемногу коробиться. Но вот печь нагрелась до определенной температуры. Раз! Контакты разомкнулись, ток в цепи прекратился, и печь стала остывать. При этом пластинка, естественно, постепенно выпрямляется. В какой-то момент она снова замыкает цепь, и опять начинается нагрев. Таки работает этот простейший терморегулятор. Биметаллическая пластинка в зависимости от температуры то изгибается, то распрямляется, поочередно включая и выключая печь.
Но у биметаллического терморегулятора есть очень существенный недостаток: он не обеспечивает необходимого постоянства температуры. Биметаллическая пластинка не успевает следить за нагревом или охлаждением, контакты замыкаются и размыкаются не при одной и той же температуре: разница достигает 1—2 градусов.
Иное дело радиоэлектронный терморегулятор.
Ой состоит из датчика, лампового усилителя и реле. Датчик представляет собой чувствительный элемент, реагирующий на изменение температуры. Его устройство бывает различно. Это, например, может быть проводник, электрическое сопротивление которого меняется с температурой. С датчика на вход усилителя поступает какой-то электрический заряд. При изменении температуры меняется и величина заряда. Пусть температура изменилась на ничтожно малую величину. Столь же незначительно изменится и электрический заряд. Но ведь у нас есть усилитель! С помощью электронных ламп ничтожное изменение заряда можно усилить в миллионы раз.
На выходе усилителя имеется реле — электромагнитный переключатель, включающий и выключающий обмотку печи. Малейшее изменение заряда на датчике заставляет реле срабатывать — замыкать или размыкать электрическую цепь. Поэтому чувствительность такого терморегулятора к изменению температуры чрезвычайно высока. Он позволяет поддерживать нужную температуру с точностью до нескольких тысячных и даже десятитысячных долей градуса!
Электронные приборы дают возможность измерять промежутки времени, которые даже представить себе трудно — порядка стомиллионных долей секунды; обнаруживают смещения в один ангстрем, то есть в стомиллионную долю сантиметра!
Электронные автоматы находят все большее применение в промышленности. Они контролируют ход производственных процессов на текстильных, бумажных и обувных фабриках, помогают добывать уголь, плавить чугун и сталь.
Созданы специальные электрические приборы, которые не только регулируют температуру вдуваемого в печь воздуха, но и наносят на бумагу своеобразные «линии плавки». По ним можно судить, как работала печь, правильно ли подавались руда и кокс, не было ли отклонений в соблюдении теплового режима плавки. Такие приборы намного повышают производительность доменных и мартеновских печей, уменьшают расход топлива и, что самое главное, намного улучшают качество металла.
Мы уже говорили про «электрический глаз» — фотоэлемент. Он широко используется во многих автоматических устройствах: автоматически выключает станок, когда рабочий
неосторожно подставит руку под инструмент, считает детали, сходящие с конвейера, и т. д.
Фотоэлектронные устройства применяются, например, в мощных прокатных станах — слябингах, где раскаленный металл превращается в стальные листы. Если толщина стальной ленты окажется больше или меньше, чем это требуется, автоматы тотчас изменят расстояние между валками стана, и дефекта не будет.
Большой размах приобрела автоматизация на электростанциях и энергосистемах.
Уже в пятой пятилетке все гидроэлектростанции СССР были автоматизированы. Вот, например, Перервинская и Карамышевская ГЭС, расположенные неподалеку от Москвы. Это «электростанции на замке». Они полностью автоматизированы. С центрального диспетчерского пункта, расположенного на большом расстоянии от здания ГЭС, пускаются в ход и останавливаются гидротурбины, регулируется их нагрузка. Кроме того, на станциях имеется ряд автоматических устройств, следящих за режимом работы ГЭС, включающих и выключающих различные агрегаты. В случае какой-либо неполадки они немедленно дают об этом знать на центральный пункт, а сами тем временем выключают неисправный агрегат и включают запасной.
Инженеры, обслуживающие ГЭС, дежурят не выходя из дома. У них на квартирах установлены небольшие щитки со звонком и сигнальной лампочкой, так что дежурный инженер всегда знает, все ли в порядке. Время от времени он подходит к обычному телефонному аппарату, набирает номер и получает подробный доклад о работе станции. Докладывает автомат, напоминающий «говорящие часы». Жители Москвы и ряда других городов часто пользуются ими. Набираешь номер телефона и слышишь голос, сообщающий, сколько времени. Это говорит магнитофон, на ленте которого записаны все варианты времени в часах и минутах на протяжении суток.
Автомат также воспроизводит записи, сделанные на магнитной ленте. Но содержание этих записей — основные показатели работы ГЭС. В зависимости от обстановки автомат включает ту или иную запись, и дежурный инженер узнает все, что его интересует.
Многочисленными автоматическими приборами оборудованы Куйбышевская, Каховская и другие мощные гидроэлектростанции.
Автоматика применяется и на других гидротехнических сооружениях — шлюзах и насосных станциях. Раньше каждую насосную станцию канала имени Москвы обслуживали 16 человек. Сейчас людей полностью заменили автоматы. Они 106
включают и выключают аппаратуру станций, наблюдают за температурой подшипников. Общее руководство всеми насосными станциями осуществляется с одного диспетчерского пункта.
Для этой цели используются не только проводные, но и радиорелейные линии с автоматическими ретрансляционными станциями. Так, например, в США, в Канзас-Сити, с помощью радиорелейных линий контролируются и управляются 12 насосных станций нефтепровода протяженностью 1600 километров.
А теперь познакомимся с радиоэлектронной автоматикой, применяемой на железнодорожном транспорте. Вот как работает «автостоп», останавливающий поезд, если машинист почему-либо не видит красного огня на светофоре.
Перед светофором устанавливается так называемый путевой индуктор. По сути дела это маленький радиопередатчик , в ачинающий работать,когда на светофоре загорается красный
свет. На локомотиве тоже есть индуктор, играющий роль радиоприемника. Локомотивный индуктор проходит на небольшом расстоянии от путевого. В результате их взаимодействия срабатывает специальное автоматическое устройство, и на локомотиве раздается протяжный свисток
ЕСЛИ МАШИНИСТ ЗАЗЕВАЛСЯ и не заметил нравного огня на светофоре, избежать аварии поможет «автостоп».
Путевой и локомотивный индуктор — это передатчик и приемник, начинающие работать, когда на светофоре зажигается красный свет. Предупреждающий сигнал, посылаемый путевым индуктором, ловится индуктором на локомотиве, усиливается и приводит в действие автоматическое устройство, которое сначала дает протяжный свисток, а потом — останавливает поезд. Так действует «автостоп».
или перед машинистом появляется светящийся сигнал. Если машинист и тут не приведет в действие тормоз, то через несколько секунд тормозная система включится автоматически, и поезд остановится.
Автостоп отличается высокой эффективностью и надежностью в работе. Неудивительно, что он получил широкое распространение на железных дорогах. Автоматическая сигнализация помогает предотвращать аварии.
Важную роль играет и автоматизированный диспетчерский контроль. Перед диспетчером находится схема железнодорожного участка. Разноцветные лампочки на схеме позволяют видеть сигналы светофоров на перегонах и станциях, следить За продвижением поездов.
«...Уже сейчас мы имеем возможность автоматизировать не только отдельные процессы и машины, но даже цехи и заводы. При этом автоматизированные машины сохраняют режим работы, выбранный человеком. В скором же времени они смогут и сами выбирать наилучший режим, приспосабливаться к изменяющимся условиям. Более того, они смогут накапливать опыт, не повторять допущенных ошибок и, анализируя собственные неудачи, постепенно улучшать свою работу»,— сказал директор Института автоматики и телемеханики член-корреспондент Академии наук СССР В. А. Трапезников.
Автоматизированные электронные машины... Вот мы и подошли к ним, к этой вершине радиоэлектроники. Сложнее, удивительнее, фантастичнее «мыслящих» машин трудно что-либо представить, да и придумать не легко.
Рассмотрим поближе это новейшее «чудо», попытаемся заглянуть за кулисы «чудесного».
СТО ПРОФЕССИЙ „МЫСЛЯЩЕЙ» МАШИНЫ
Могут ли машины решать сложнейшие математические уравнения, переводить текст с одного языка на другой, играть в шахматы, управлять работой целых заводов?
Того, кто задал бы этот вопрос четверть века назад, пожалуй, сочли бы за чудака.
— Далеко не каждый человек решит дифференциальное уравнение — высшую математику изучают в вузах. Смешно подумать, что машина образованней многих из нас!
Так ответил бы человек в недавнем прошлом. А сейчас уже существуют машины «с высшим образованием».
Все началось с электронных вычислительных машин — машин-математиков. Давайте прежде всего разберемся в их устройстве и принципах действия. Это не просто. Придется запастись терпением.
А может, лучше не касаться устройства электронных машин и сразу перейти к тому, что они умеют делать? Можно. Но тогда все, о чем будет речь, покажется безответственной игрой воображения, не более. Между тем электронные машины со своими потрясающими «способностями» существуют и действуют по воле человека. Значит, они поддаются объяснению. Вот с этого объяснения мы все-таки и начнем.
Электронные вычислительные машины можно разделить на две большие группы. В первую группу входят так называемые моделирующие устройства, во вторую — быстродействующие цифровые машины.
Очень часто бывает, что совершенно различные физические явления описываются одними и теми же математическими уравнениями.
Владимир Ильич Ленин в своей работе «Материализм и эмпириокритицизм» писал: «Единство природы обнаруживается в «поразительной аналогичности» дифференциальных уравнений, относящихся к разным областям явлений»1.
В электронных моделирующих устройствах с помощью радиоламп, конденсаторов и других деталей создаются те или иные электрические схемы. В них изменение токов и напряжений во времени происходит по определенному закону и выражается такими же математическими уравнениями, что и исследуемое явление. Например, механические колебания маятника выражаются тем же уравнением, что и электрические колебания в контуре, состоящем из конденсатора п катушки индуктивности. Следовательно, электрические процессы, протекающие в цепях моделирующего устройства, служат своеобразными моделями изучаемого механического явления. Поэтому такие устройства и называются моделирующими.
Положим, нам нужно знать, как будет себя вести новый самолет при больших перегрузках, ну, к примеру, во время пикирования. Для этого необязательно сразу начинать летные испытания, чреватые катастрофой. Лучше начать с решения математических уравнений, описывающих поведение самолета при повышении нагрузки. Практически делают так. Выбирают соответствующую электрическую модель, собирают нужную схему, изменяют напряжения или токи в одних ее точках и смотрят, как меняются токи в других точках. Часто решение получают в виде светящейся кривой на экране электронно-лучевой трубки.
Недостаток моделирующих устройств — сравнительно низкая точность (ошибка при решении достигает 5—10 процентов). Кроме того, электрическая модель одного явления уже не годится для другого.
Гораздо более универсальны быстродействующие цифровые машины, отличающиеся высокой точностью, В таких машинах решение математической задачи разбивается на отдельные арифметические операции (сложение, вычитание, умножение и деление). Сам процесс вычислений происходит автоматически.
В. И. Лони н. Соч., т. 14, стр. 276.
Быстродействующая машина может решить любую задачу, лишь бы эта задача имела числовое решение. Огромное большинство сложнейших математических уравнений имеет такое решение и может быть сведено к определенной последовательности арифметических действий. Четырех действий арифметики достаточно для того, чтобы решать головоломные интегральные и дифференциальные уравнения.
Быстродействующая машина состоит из пяти взаимосвязанных устройств: арифметического, запоминающего, управляющего, устройства ввода данных в машину и устройства вывода данных из машины.
Арифметическое устройство производит арифметические действия над числами. В секунду оно совершает тысячи операций. Посмотрим, как это осуществляется.
Мы с вами привыкли к десятичной системе счисления. Числа в этой системе изображаются с помощью десяти цифр: О, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Значение каждой цифры зависит от ее положения в ряду цифр, изображающих число. Так, в числе 555 первая слова пятерка показывает количество сотен, вторая —-десятков, третья — единиц. Число 555, как и любое другое, можно выразить в виде суммы: 5-100-]-5-104-5 или, что то же самое, 5-102-р5-Ю1-^* 10°. Обратите внимание на число 10, которое входит в каждое из слагаемых. Это число — основа десятичной системы счисления.
Вообще говоря, можно принять за основу и любое другое число, например, цифру 2. Получится двоичная система счисления, в которой, кроме двойки, используются еще всего лишь две цифры: 0 и 1. В такой системе любое число записывается в виде суммы степеней числа 2, умноженных либо на 0, либо на 1. Например, число 21 может быть записано как 1-244-0-234-1*22-|-0*214-1*2°. В двоичной системе это выглядит следующим образом: 10101. Получается забавный парадокс: 21=10101!
Напрашивается вопрос: для чего нужна такая двоичная система счисления, если она явно менее удобна, чем десятичная; ведь число в двоичной системе выражается гораздо большим количеством цифр?
А дело все в том, что она «пришлась по вкусу» электронным машинам. Возьмите, к примеру, обычный выключатель. У него два положения: включено — выключено. Одно из положений может обозначать 0, другое —1. Электронная лампа также имеет два различных состояния: запертое и открытое.
Значит, любое число, записанное по двоичной системе, можно представить в виде ряда электронных ламп, часть из которых заперта, часть открыта. Например, число 21=10101 может быть представлено в виде такой комбинации: открытая лампа — запертая — открытая — запертая — открытая. Пода
вая на сетки ламп отрицательные и положительные заряды, можно записывать любые числа, производить над ними арифметические операции.
Сложение и умножение в двоичной системе осуществляется очень просто. Вот пример сложения:
1010 + 111 10001
Результат, на первый взгляд, неожиданный. Но в двоичной системе сложение двух единиц равносильно переносу в следующий разряд х. (1-21 + 1-21=1-21 2; 1-22+1-22=1-23 и т. д.). В нашем примере 1010 равно 1-23 + 0-22+1-21 + 0-2°, а 111 равно 1-22+1-21+1-2°. Отсюда сумма этих чисел: 1-23+1*22+ 2 • 214-1 • 2°. Но 2-21 это уже 1 • 22. Значит, налицо перенос в более высокий разряд. Перепишем числа, учтя необходимость такого переноса: 1-23+2-22...Стоп! 2-22 равно 1-23! Снова нужно переписать числа, произведя еще один перенос: 2-23... водь это же 1-24! Опять необходим перенос. Наконец, получаем окончательно: 1-24+0-23+0-22+0-21 + 1-2° или, одним числом, как принято в двоичной системе: 10001. Как видите, результат сложения правилен.
Умножение происходит еще проще, так как умножаются всего лишь две цифры: 0 и 1. Вот пример:
110
Х101
110 000 110 11110
Арифметическое устройство электронной машины содержит огромное количество радиоламп, соединенных попарно. Каждая пара образует так называемую триггерную схему (слово «триггер» по-английски означает «спусковой крючок»). Особенность триггера заключается в том, что когда одна из его ламп открыта, вторая обязательно заперта и наоборот. Подавая на сетку той или другой лампы отрицательный заряд, можно поочередно отпирать и запирать их, мгновенно перебрасывать триггер из одного состояния в другое (в этом, между прочим, и заключается аналогия между такой электронной схемой и спусковым крючком). Если одно состояние, например, когда первая лампа открыта,а вторая заперта,—обозначает 0,а другое,
1 В десятичной системе разряды — это единицы, десятки, сотни и
т. д. Например, сотни — более высокий разряд, чем десятки. В двоичной
системе разряды таковы: 1-2°, 1-21, 1-22 и т. д.
когда заперта первая лампа, а открыта вторая — 1, то для изображения любого числа в двоичной системе счисления достаточно столько триггеров, сколько разрядов в числе. Так, для числа 101 необходимы 3 триггера, для числа 1101 — четыре и т. д.
Различные действия над записанными цифрами в машине сводятся к взаимодействию триггеров, к автоматическому сравнению их состояний. Положим, нужно вычесть одно число из другого, например, из 1011—100. Управляющее устройство автоматически сравнивает триггеры, изображающие первое число, с триггерами второго числа. Результат сравнения — разность чисел, равная в нашем слхчае 111 — записывается с помощью новой группы триггеров.
Триггеры действуют настолько быстро, что человек не в состоянии следить за ходом решения, в нужный момент вводить в машину числа, записывать результат операций. Все это делает за него особое «запоминающее» устройство. Оно бывает разных видов. Очень распространена магнитная «память». В запоминающем устройстве электронной машины, представляющем особый магнитофон, на магнитной ленте или специальном барабане записываются двоичные числа, в виде комбинаций положительных и отрицательных импульсов тока.
Магнитная память быстродействующей вычислительной машины может хранить множество чисел, по нескольку десятков разрядов в каждом. Запоминающее устройство позволяет выбрать из этого множества нужное число, а также записать результат вычислений. Память электронной машины разбита на ряд ячеек. Все они пронумерованы, и чтобы выбрать какое-либо число, нужно лишь задать номер ячейки, в которой оно хранится.
Для выполнения арифметического действия нужно указать номера ячеек, откуда должны быть взяты числа; действие, которое требуется произвести; номер ячейки, куда необходимо сдать на хранение результат. Такое задание называется командой.
Команда
+	815	233	747
означает: взять числа из ячеек № 815 и № 233, сложить, результат записать в ячейку № 747.
Конечно, цифры команды даются также в двоичной системе.
Решение задачи расчленяется на последовательное выполнение ряда команд, образующих так называемую программу вычислений.
Исходные данные и программа вычислений заранее нано
сятся на перфорированную ленту (перфорация — это отверстия, пробиваемые в ленте). Различные комбинации отверстий обозначают те или иные числа.
Перфорированная лента поступает в устройство ввода данных. Она перематывается с одной катушки на другую и при этом движется между осветительной лампочкой и фотоэлементом. Фотоэлемент освещается лишь в те мгновения, когда на пути световых лучей оказывается очередное отверстие. Поэтому ток в цепи фотоэлемента течет в виде кратковременных импульсов. Получается своеобразная электрическая «копия» перфорированной ленты. Каждому отверстию соответствует свой импульс, комбинации импульсов обозначают числа, образующие программу вычислений. Импульсы направляются в запоминающее устройство — на магнитный барабан — и «записываются» в его ячейках.
Как происходит процесс вычислений? Предположим, первая команда указывает, что нужно сравнить два числа, хранящиеся в определенных ячейках. Магнитный барабан запоминающего устройства все время вращается, делая несколько сотен оборотов в минуту. В течение первого же оборота числа из нужных ячеек автоматически «списываются» и переносятся на триггеры. Далее сравниваются состояния триггеров и выясняется, равны числа или нет, и какое из них больше. Если числа равны, вычисление заканчивается, и его результат заносится в указанную ячейку. Если не равны, машина переходит к выполнению следующей команды.
Результат промежуточных вычислений и окончательное решение задачи хранятся в запоминающем устройстве. Оттуда ответ решенного уравнения направляется в устройство вывода данных. В зависимости от сочетания импульсов специальная электронная схема зажигает одну из десяти неоновых ламп. Свет от лампы через оптическую линзу направляется на движущуюся кинопленку. Каждая неоновая лампа имеет свою линзу; на линзе нарисована та или иная цифра (0, 1, 2, 3 и т. д.). Цифры проецируются на пленку, оставляя на ней невидимый отпечаток. Заснятая таким образом цлонка проявляется. На ней записаны результаты вычислений.
Таковы основные принципы работы быстродействующих вычислительных машин. Посмотрим теперь, как выглядят такие машины и что они умеют делать.
Вот характерный пример. Одна из вычислительных машин, отнюдь не самая сложная, содержит 8 000 радиоламп, потребляет 650 киловатт электроэнергии. Размещена она в здании площадью около шестисот квадратных метров; общая длина проводов составляет ИЗ километров. На охлаждение машины расходуется 830 кубометров воздуха в минуту. Вот какое это
колоссальное устройство! Зато за 20 секунд оно выполняет восьмичасовую работу ста вычислителей.
Быстродействующая электронная счетная машина («БЭСМ») Академии наук СССР в секунду совершает 7—8 тысяч арифметических действий.
Запоминающее устройство машины «БЭСМ» содержит свыше 120 тысяч чисел и команд. Выборка нужного числа и запись результата занимает всего лишь 12 миллионных долей секунды, то есть совершается с быстротой, недоступной не только для человека, но и для любой неэлектронной машины. Сложение чисел «БЭСМ» производит за 3 миллионные доли секунды, а умножение — за 192. Чтобы решить сложную систему дифференциальных уравнений, описывающих движение управляемой ракеты, вычислитель должен затратить около двух лет непрерывного труда. А машина выполняет эти вычисления за два часа. Два года и два часа! Какой разительный контраст между «неповоротливостью» человеческого мозга и молниеносной быстротой электронной машины!
Машина «БЭСМ» в течение нескольких дней подсчитала все орбиты, по которым движутся около 700 астероидов (малых планет) солнечной системы. При этом учитывалось влияние, оказываемое на их движение Юпитером и Сатурном. В другом случае сложнейший расчет с 800 уравнениями машина произвела менее чем за 20 часов. По ходу дела она совершила около 250 миллионов арифметических действий.
Большая универсальная электронная машина типа «Стрела», разработанная в конструкторском бюро Министерства приборостроения и средств автоматизации СССР, производит вычисления со скоростью 2 тысяч операций в секунду. Она может «запомнить» свыше 200 тысяч чисел.
Этим же конструкторским бюро выпускается еще ряд вычислительных машин. Универсальная электронная машина «Урал» предназначена для инженерных расчетов. Машина «Погода» обрабатывает метеосводки и составляет прогнозы. Чтобы предсказать погоду на сутки вперед, нужно учесть данные многих сотен метеорологических станций. Электронная машина производит необходимые расчеты за несколько часов. А вычислителям пришлось бы поработать недели две, и прогноз погоды «назавтра» появлялся бы с двухнедельным опозданием. Машина «Кристалл» применяется для обработки результатов при рентгеноструктурном анализе кристаллических веществ.
Быстродействующие вычислительные машины широко используются в ядерной физике для решения сложных математических задач, в геологии — для расчета залежей полезных ископаемых, в химии —для анализа органических соединений, в молекуле которых содержатся тысячи атомов.
Теория электронных машин тесно связана с новой об* ластью науки, получившей название кибернетики. Наука эта возникла около 15 лет назад. Слово «кибернетика» произошло от греческого «кибернетес» — рулевой.
Кибернетика — молодая наука. Это математическая теория, связанная с созданием и работой сложных, автоматически действующих машин. Она рассматривает также вопросы, относящиеся к изучению некоторых функций живых организ* мов. Электронные устройства служат для исследования нервной деятельности человека, работы его мозга и других органов. С другой стороны, для создания многих автоматических устройств используются принципы и закономерности, относящиеся к жизнедеятельности живых организмов.
Вот, например, одно из интересных кибернетических устройств — модель живого организма. Внешне она выглядит как забавная игрушка. Представьте себе большую металлическую черепаху. Внутри черепахи имеется миниатюрный моторчик, приводящий ее в движение, и аккумулятор, способный накап-ливать некоторый запас электрической энергии и затем постепенно расходовать его на работу моторчика.
Аккумулятор включают в электрическую сеть. После того как он зарядится, механическая черепаха начинает ползать по комнате, обходя препятствия. Но вот запас энергии начинает иссякать. И что же! Черепаха направляется к месту, где был заряжен аккумулятор, самостоятельно включается в сеть и по окончании зарядки опять отправляется путешествовать.
Забавно, не правда ли? Но эта чудесная игрушка, неизменно вызывающая восторг детей и взрослых, имеет большое значение для науки.
Английский ученый Грей Уолтер, руководитель исследовательской лаборатории Неврологического института в Бристоле, создал модель живого существа, чтобы на ней проверить некоторые представления о механизме нервной деятельности. Так родилась кибернетическая черепаха.
«Глазами» черепахи служит фотоэлемент, «ушами» — микрофон, роль «мышц» играет электромоторчик с передаточным механизмом и, наконец, «нервами» являются электрические цепи, содержащие электронные лампы, конденсаторы, автоматические реле-переключатели и другие радиодетали.
Черепаха реагировала на свет и свист, обладала своего рода «условными рефлексами». Вблизи контактов электрической сети, где черепаха получала питание, горела лампочка. Когда аккумулятор иссякал, она шла на зарядку, ориентируясь по источнику света. Уолтер завел обычай громко свистеть именно в этот момент. Сначала свист никак не влиял на движе
ние модели. Но спустя некоторое время стали замечать, что если черепаха нуждается в питании, она поворачивает на свист. Уолтер продолжал дрессировать кибернетическую черепаху. Вскоре он перестал зажигать лампочку, служившую маяком, но теперь «зверек» отлично ориентировался по слуху.
Тогда исследователь решил обмануть черепаху. Он стал свистеть в стороне от места зарядки. Черепаха шла на свист, но питания не получала. С каждым разом ее реакция слабела, «зверек» все неохотнее подчинялся свисту и в конце концов перестал обращать на него внимание. Пришлось снова зажигать лампу.
Но ведь именно таким образом вырабатываются и стираются условные рефлексы у животных! Значит, кибернетическая черепаха и в самом деле может рассматриваться как грубая модель, схематически отображающая некоторые свойства, присущие живому организму.
Аналогичная черепаха была построена Р. Васильевым и П. Петровским в Институте автоматики и телемеханики Академии наук СССР. Эта черепаха питается прямо от сети с помощью длинного шнура. Она тоже движется на источник света и, встречая на пути препятствие, аккуратно обходит его. Если каждый раз, когда кибернетический зверек наталкивается на преграду, свистеть, то можно также выработать у него «условный рефлекс». Услышав свист, «зверек» будет сворачивать в сторону даже когда дорога свободна. Если же сочетание толчка и свиста не повторяется, черепаха перестанет обращать внимание на свист.
Человеку непосвященному поведение кибернетических устройств кажется чудом. Но мы-то с вами уже знакомы с гораздо более сложными творениями ума и рук человека — быстродействующими электронными машинами.Черепаха куда примитивнее, и ее способностям нетрудно дать объяснение.
Например, отчего черепаха обходит препятствие? Она снабжена своеобразным механическим органом осязания — буфером в виде кольца, окружающего ее со всех сторон. Касаясь препятствия, буфер включает реле времени. Это простейшая запоминающая ячейка. В реле времени имеется электромагнит, параллельно обмотке которого подключен конденсатор большой емкости. Черепаха коснулась стенки — буфер на мгновение подключает к обмотке источник постоянного тока. Не будь конденсатора, реле работало бы лишь одно это мгновение. Но конденсатор успел зарядиться и теперь разряжается через обмотку. Разряд длится две-три секунды. Все это время реле остается включенным.
Реле времени в свою очередь приводит в действие несколько других реле, управляющих движением черепахи.
И вот мы видим, как механический зверек, ткнувшись о препятствие, пятится назад, затем отходит в сторону и снова устремляется вперед. Такими мелкими шажками, как бы обнюхивая мешающее ему тело, он обходит преграду, пока не выберется на вольный простор.
Другой вопрос: отчего черепаха идет на свет?
Движение ее подчиняется автоматическому устройству с фотоэлементом: оно поворачивает колесики движущего механизма так, чтобы освещенность фотоэлемента была наибольшей, и свет как бы притягивает к себе «зверька». В черепахе Уолтера фотоэлемент включается лишь тогда, когда аккумулятор начинает иссякать. При падении тока в электрической цепи до известного предела срабатывает специальное реле, черепаха рулит к лампочке, висящей над контактами сети, и прямо наталкивается на них. Пока аккумулятор заряжается, «электрический глаз» удерживает черепаху у контактов. По окончании зарядки ток в цепи возрастает, реле выключает фотоэлемент, и «зверек» опять на свободе.
Наконец, последний, пожалуй, самый трудный вопрос. Как создаются «условные рефлексы» у кибернетической черепахи, отчего она поддается дрессировке?
Возьмем для примера черепаху Васильева и Петровского. В схеме ее, кроме упомянутой выше ячейки, есть еще одна — ячейка памяти. По своему устройству эта ячейка напоминает биметаллический терморегулятор, о котором мы недавно говорили,—две соприкасающиеся металлические пластинки. Одна склепана из разных металлов, неодинаково расширяющихся при нагреве.
Если через такой контакт пропустить электрический ток, то в результате нагрева биметаллическая пластинка изогнется, и один из ее концов разомкнет контакт. Ток в цепи прекратится. Его не будет до тех пор, пока пластинки не остынут.
Но вернемся к черепахе. При совпадении удара и свиста ее ячейка памяти на 2—3 секунды подключается к источнику тока. Сделать это нетрудно. Достаточно взять замкнутую цепь с двумя выключателями, один из которых включается непосредственно буфером, а другой — реле, связанным с микрофоном. Ток в цепи будет течь только тогда, когда закорочены оба выключателя; а это как раз и случается при совпадении толчка со свистом.
Если такие совпадения повторяются достаточно часто, то биметаллическая пластинка нагреется и изогнется настолько, что разомкнет цепь. При этом сработает еще одно реле и микрофон окажется подключенным к реле времени. Теперь свист будет так же влиять на поведение черепахи, как и столкновение с препятствием.
Но столкновение — это «безусловный» раздражитель, он действует всегда. А свист — раздражитель «условный». Он быстро забывается. Действительно, если не «подтверждать» свист ударом, «рефлекс» вскоре сотрется, так как биметаллическая пластинка, остыв, отключит микрофон от реле времени.
Таким образом, «разумное» поведение кибернетического зверька объясняется взаимодействием элементов его электрической схемы, которое можно проследить так же, как, скажем, проанализировать работу радиоприемника или телевизора.
Кибернетическая черепаха — простейший из роботов, автоматических устройств, копирующих действия человека или животных.
Первые роботы были созданы, когда ученые и не мыслили о кибернетике. Так, еще в 1927 году на выставке в Берлине демонстрировался «телевокс» — робот, внешне походивший на человека. Этим роботом управляли с помощью свистков различного тона. Свисток одного тона включал пылесос, и телевокс начинал чистить комнату, свисток другого тона заставлял робот разговаривать и т. д. В телевоксе имелся звукозаписывающий аппарат. При телефонном звонке робот снимал трубку и отвечал: «Я вас слушаю. Сообщите, что надо. Я все передам хозяину».
Но этот робот — не кибернетическое устройство. Он не может приспосабливаться к изменяющимся условиям. Как попугай, механически повторяющий задолбленные фразы, телевокс выполняет строго определенные команды, не проявляя при этом ни капли инициативы.
Иное дело кибернетические роботы, которые, безусловно, получат в будущем большое распространение. Такие роботы способны уже к самостоятельным «поступкам», они принимают «решения».
Конечно, все это чисто механическая аналогия с действиями человека, не более. Но кибернетический робот — уже не беспомощная груда металла, которой придали внешнее сходство с человеком.
А зачем нужны роботы?
Обратимся к атомной промышленности. Человек не может непосредственно работать с радиоактивными веществами. Здесь-то и пригодятся «образованные» машинц-роботы.
Или представим себе межпланетный полет. Космический корабль опускается на Марс. Через некоторое время плавно открываются люки, из них выходят кибернетические роботы. Вовсе не обязательно, чтобы они внешне были похожи на человека, лишь бы они умели наблюдать окружающую обстановку, приспосабливаться к ней, проводить программу исследований, может быть, даже делать выводы.
Все это под силу электронным машинам. Но может ли робот конкурировать с человеком? Некоторые буржуазные ученые утверждают, что электронная машина со временем обретет способность самостоятельного мышления и станет сама бесконтрольно управлять своими действиями, что может быть создан «электронный мозг», не уступающий человеческому и даже превосходящий его.
Американский литературный журнал «Саттердей ревю» посвятил как-то специальный выпуск успехам ядерной физики и кибернетики. И что же — журнал прославлял величие человеческого разума, вторгшегося в сокровенные тайники природы и создавшего хитроумнейшие машины? Нет, как раз наоборот! Вот что говорилось в эпиграфе к этому номеру:
«Современная промышленная революция неизбежно приведет к тому, что человеческая мысль, по крайней мере в ее наиболее простых и обыденных проявлениях, лишится какой бы то ни было ценности. Конечно, подобно тому, как высококвалифицированный плотник, высококвалифицированный механик, высококвалифицированный портной в какой-то мере смогли пережить первую промышленную революцию, так высококвалифицированный, ученый и высококвалифицированный администратор, вероятно, переживут вторую. Однако, когда вторая промышленная революция будет завершена, средний человек со средними способностями, тем более человек со способностями ниже средних, не сможет продать ничего, что другому стоило бы купить за деньги».
С этим нельзя согласиться. Электронные счетные машины — всего лишь орудия человеческого мышления. Машина, как бы совершенна она ни была, работает по программе, выполняет задания человека. Это — помощник мозга, но не его соперник.
Структура мозга и структура электронной машины качественно различны. Кибернетические устройства состоят из мертвых, неспособных к развитию и воспроизведению элементов. Человеческий же мозг построен из живых клеток, неизмеримо более сложных и взаимосвязанных, могущих восстанавливаться и развиваться. Число клеток нашего мозга приблизительно в 10 000 раз больше числа электронных ламп кибернетической машины. И хотя машина работает в тысячи раз быстрее, чем человек, ее «интеллект» во столько же примитивнее.
«...Мдшина не может ненавидеть и любить...— пишет профессор Э. Кольман,— она не имеет чувств, воли, не имеет характера ... ее «память» не похожа на человеческую память, потому что наша память окрашена всякими переживаниями, между тем как у машины имеется лишь формальная, количественная модель памяти...»
Кибернетика — перспективная, многообещающая область знания. И хотя сейчас мы еще не можем предвидеть всех возможностей электронной машины, совершенно ясно одно: дальнейшее развитие кибернетики несомненно будет способствовать прогрессу во всех отраслях народного хозяйства.
В создании и совершенствовании быстродействующих электронных машин советские ученые идут нога в ногу с учеными зарубежных стран. Так, например, в Академии наук СССР ведутся успешные опыты по автоматическому переводу текста с одного языка на другой.
Оказывается, математика — всего лишь одна из многих «профессий» электронной машины. Сейчас мы познакомимся с другой ее специальностью,— посмотрим, как работает машина-переводчик.
Трудно представить, что машина может автоматически переводить текст. А между тем здесь нет ничего необъяснимого^ загадочного. Каждый язык построен по определенной системе и подчиняется грамматическим правилам. Значит, принципиально возможно разработать такой словарь и такие методы перевода, чтобы смысл слов и их взаимосвязь в тексте имели единственное толкование. Отсюда нетрудно перейти и к автоматическому переводу с помощью электронной машины, хотя бы типа «БЭСМ».
В запоминающее устройство электронной машины помещается словарь, состоящий из нескольких тысяч слов. Каждое слово зашифровано в виде какого-то числа, скажем, 124350, 3743 и т. п. В этом шифре разобраться нетрудно — нужно лишь знать численные обозначения всех букв алфавита.
Положим, латинская буква «у» обозначается числом 12, «е» — 43, «s» — 50 и «Ь» — 37. Тогда число 124350 расшифровывается как «yes» (англ.) — «да», число 3743 означает «Ье» (англ.) — «он».
Как же осуществляется автоматический перевод?
Оператор, иногда даже незнакомый с английским или другим иностранным языком, «выстукивает» переводимый текст на специальном аппарате, напоминающем пишущую машинку. При этом на бумажной ленте, вставленной в аппарат, пробиваются отверстия, которые означают те или иные числа, в зависимости от шифра. Затем лента вводится в машину. Машина сравнивает каждое слово текста со всеми числами-словами словаря. Делается это совершенно автоматически, с колоссальной скоростью. Например, машина «БЭСМ» каждое такое сравнение осуществляет за одну десятитысячную долю секунды. Словарь в несколько тысяч слов «перелистывается» машиной за какие-то доли секунды.
Сравнение слов из текста и словаря сводится к вычитанию чисел. Число, означающее переводимое слово, поочередно
ДРУЖЕСКИЙ ШАРЖ НА ЭЛЕКТРОННУЮ ЛАМПУ.
вычитается из всех слов-чисел словаря. Если результат вычитания равен нулю, то значение слова найдено.
Но ведь иногда одно и то же слово имеет несколько значений. Как быть в таком случае?
Чтобы установить точный смысл слова, имеющего несколько значений, машина анализирует окружающие слова, совершая огромное число проверок, пробных словосочетаний. В ее словаре, кроме отдельных слов, содержатся еще целые грамматические схемы. Поэтому перевод получается достаточно грамотным. Вот, например, фраза, переведенная машиной из английского текста.
«Элементарные курсы по дифференциальным уравнениям дают длинный перечень искусных приемов, при помощи которых исследователь, как предполагается, может решать дифференциальные уравнения».
Конечно, «язык» электронной машины пока еще беден, запас слов у нее сравнительно невелик. Художественные произведения она переводить не может. Зато несложный технический текст «автоматический переводчик» переводит быстрее, чем человек, в совершенство владеющий языком.
А нужен ли такой машинный перевод, ведь обходились же до сих пор без него?
Ученые подсчитали, что ежегодно выходит около 3 миллионов журнальных статей, почти 50 тысяч научно-технических книг и сотни тысяч патентов на изобретения. Чтобы перевести все это на русский язык, не хватит ни людей, ни времени.
В Институте информации Академии наук СССР работают полторы тысячи переводчиков. Только в 1954 году они перевели 7 тысяч иностранных журналов. А ведь с такой работой могли бы справиться машины-переводчики. Применение в широких масштабах электронных машин для перевода научно-технического текста даст большой экономический эффект, позволит Институту информации во много раз увеличить объем работы.
Как утверждают ученые, электронные машины смогут не только переводить, но и обрабатывать и даже редактировать статьи.
Интересен также «автоматический библиограф и архивариус» — машина для систематизации и учета научной литературы. Институт информации издает около десяти серий реферативных (обзорных) журналов по всем областям точных и естественных наук. В таких журналах содержится краткое изложение важнейших статей, появившихся в мировой литературе. Выпущено уже столько реферативных журналов, что они занимают на полках не меньше места, чем 60 томов Большой Советской Энциклопедии. Какую же массу времени при-
ходится тратить ученым, чтобы в огромном множестве различных статей, обзоров, рефератов найти нужные сведения!
Между тем может быть создана электронная машина, мгновенно дающая библиографическую справку по любому вопросу, в любой области знаний.
Принципы и модели таких машин уже разрабатываются в Академии наук. Информационно-справочные машины будут обладать колоссальной «памятью», способной хранить неисчерпаемые запасы научных сведений. Они намного облегчат труд ученых, значительно повысят его производительность, создадут предпосылки для новых замечательных открытий.
Область применения быстродействующих электронных машин расширяется буквально с каждым месяцем. Так, уже созданы электронные устройства, способные читать любой текст.
Первая читающая машина была изобретена чехом Тау-чеком. Ее принципиальное устройство таково. На движущейся темной ленте имеются прозрачные изображения букв алфавита. На ленту системой линз последовательно проецируются буквы читаемого текста. При совпадении буквы текста с буквой на ленте последняя затемняется. Позади ленты расположен фотоэлемент, соединенный с сигнальным устройством. Свет на него падает лишь в те моменты, когда буквы на тексте и на ленте не совпадают. В случае же совпадения освещенность фотоэлемента резко понижается и ток в его цепи падает. При этом срабатывает реле. Оно приводит в действие сигнальное устройство. Каждой букве соответствует определенный сигнал, который может использоваться по-разному — например, включать ту или иную клавишу наборной машины линотипа.
Но машина Таучека была несовершенна. Она требовала особого шрифта. Ведь если шрифт простой, то буквы «О» и «С», «В» и «Р» будут перекрывать друг друга, что приведет к ошибкам.
В 1940 году советский изобретатель В. Гиндлин разработал более сложную машину. Она имела мозаичный экран, состоящий из 17 фотоэлементов. Буквы текста поочередно проецировались на экран, затемняя определенную комбинацию фотоэлементов.
Но и машина Гиндлина имела существенный недостаток. Она могла читать текст, набранный только одним шрифтом. А ведь шрифтов разных начертаний множество, не говоря уже о рукописном тексте.
Недостатки читающих устройств удалось устранить лишь с помощью быстродействующих электронных машин. Каждая буква текста развертывается (мы уже знакомы с этим термином) телевизионным способом на 150—200 элементов. Полученная комбинация электрических сигналов направляется в электронную машину, где сравнивается с различными комбинациями, соответствующими тем или иным буквам. «Опо-124
знанная» буква направляется в запоминающее устройство и там хранится, пока не будет прочитана вся строка. Затем буквы, образующие строку, воспроизводятся печатающим устройством.
Машина способна разбирать буквы самых различных начертаний, опознавать неразборчивые знаки.
Первый образец читающей машины предназначен для ввода данных в электронные счетные машины: она читает ленты кассовых аппаратов, корешки чеков и т. д., превращая обычный буквенный и цифровой текст в комбинации отверстий на ленте. В будущем такие устройства намного облегчат труд наборщиков, Позволят также полностью автоматизировать сам процесс набора и вести его со скоростью, недоступной для человека.
Комбинируя читающую машину со звуковоспроизводящим аппаратом, вероятно, удастся создать устройство, произносящее любой текст вслух.
Сферу применения подобных читающих и говорящих устройств сейчас трудно точно очертить. Во всяком случае они будут незаменимы для слепых.
Известна электронная машина, подвизающаяся в роли шахматного игрока. Игра в шахматы происходит по определенной схеме, подчиняется твердым правилам. Значит, дело сводится к решению математической задачи.
В машину вкладывают конкретную программу, которая учитывает силу различных фигур, их позиционные возможности. Существующая электронная машина может предвидеть три своих хода и три ответных хода противника, сравнивает возможные варианты и выбирает наилучший. Если противник предвидит большее число ходов, то он побеждает, если нет — выигрыш оказывается на стороне машины. На всякое нарушение правил игры «автоматический шахматист» реагирует звонком или каким-либо иным сигналом.
В иностранной печати сообщалось даже об... «автоматическом поэте». Электронная машина ухитрилась «сочинить» небольшое стихотворение. Конечно, такого рода «автоматизация» лишена практического смысла и преследует чисто рекламные цели.
Но если возможны автоматический шахматист и переводчик, то почему не быть автоматическому технологу, автоматическому директору завода? Ведь в управлении автоматизированным производством главное — не чувства, не переживания, которые трудно планировать. В этом деле все или почти все можно и должно заранее предусмотреть, рассчитать. Такой труд по плечу электронной машине.
Быстродействующая электронная машина сможет успешно управлять самым сложным технологическим процессом, состоящим из любого числа последовательных операций. Роль
человека сведется лишь к составлению программы, которая регламентировала бы действия автомата. А в дальнейшем и эту работу можно будет в какой-то степени передать машине. Управляющая машина сама станет составлять свою программу, вносить в нее изменения, повышающие качество производственного процесса.
Машины смогут вести бухгалтерию завода, планировать производственные циклы, рационально располагать оборудование и рабочую силу, обеспечивать наивысшую производительность труда, подсчитывать выработку продукции, заработную плату.
В капиталистических странах развитие кибернетики, внедрение в производство электронных машин способствуют усилению эксплуатации, обнищанию трудящихся. Капиталисты пытаются использовать быстродействующую машину в качестве «штрейкбрехера». Так, английская страховая компания, воспользовавшись счетной машиной, уволила 2 тысячи служащих.
Иначе обстоит дело у нас. Пройдет совсем немного времени, и целая армия «машин с высшим образованием» будет управлять нашими заводами и фабриками, электростанциями и энергосистемами, железнодорожным движением и полетами воздушных кораблей. Применение электронной техники позволит решительно сократить продолжительность рабочего дня, повысить материальное благосостояние трудящихся. Быстродействующая электронная машина облегчит умственный труд, избавит ученых от кропотливой черновой работы. Сколько новых открытий будет сделано благодаря этому, каких сияющих вершин достигнет наука!
РАДИО СТРАНСТВУЕТ
Советское государство— самое большое в мире. Оно больше, чем любая другая страна, нуждается в первоклассном, четко и бесперебойно работающем транспорте. С каждым годом растет протяженность наших железных дорог, автомобильных магистралей. На смену паровозам приходят мощные и экономичные электровозы, тепловозы и газотурбовозы. На пассажирских авиалиниях курсируют реактивные пассажирские самолеты-гиганты, равных которым нет ни в одной стране мира.
Идет решительная перестройка транспортных средств на современный лад.
В работе железнодорожного транспорта большую роль играет график. «Выбились из графика», «сорвали график» — эти выражения еще нередко приходится слышать на железной дороге.
Составить график — дело нелегкое. Нужно проделать ряд сложных вычислений, в которых учитывается множество данных: характер пути, вес состава, мощность паровоза или тепловоза и т. д. Однако как бы точны ни были подобные расчеты, всего не предусмотришь. Подцепят к составу лишнюю плат
форму — и вот уже локомотив медленнее набирает расчетную скорость. Иногда подкачает и сам машинист: бывает, обманет его «чувство массы»,— а это не шутка, если речь идет о большегрузном составе, да еще взбирающемся в гору.
Недавно группа советских специалистов создала опытный образец электронной машины, которая призвана облегчить труд машиниста и покончить с выражением «выбился из графика».
В запоминающее устройство этой машины вкладывается программа, содержащая данные о скорости, времени, пути. «Автомашинист» решает дифференциальные уравнения, описывающие движение поезда, выбирает для каждого участка пути наиболее выгодную скорость, управляет агрегатами локомотива.
Вот как описывается первый рейс электропоезда, ведомого радиэлектронной машиной, в газете «Труд».
«...Рейс был необычным. Впервые в жизни машинист, находясь в кабине, выполнял роль наблюдателя. Всем управляло специальное автоматическое устройство. Оно успешно справлялось со своей задачей: вовремя реагировало на сигналы автоблокировки, в нужных местах придерживалось заданного ограничения скорости. Не доезжая станции... «автомашинист» сам выбрал точку торможения, сбавил скорость и плавно остановился у перрона».
Настанет время, когда работа наших машинистов будет несравнимо спокойнее и легче благодаря помощи кибернетических «коллег», и мы забудем про опоздания поездов.
По стальным магистралям состав за составом помчатся на предельных скоростях большегрузные поезда и пассажирские экспрессы. Представляете, насколько возрастет тогда пропускная способность железных дорог, насколько убыстрятся перевозки?
Электронная машина сэкономит нам массу времени и средств.
А может ли радиоэлектроника справиться с более анархичным транспортом, ну, скажем, с автомобильным? Движение на автомобильных магистралях невозможно регламентировать каким-либо расписанием. Казалось бы, тут автоматике делать нечего. Но такое суждение ошибочно. Сейчас уже нетрудно представить себе автомагистраль будущего.
...Наша машина у въезда на магистраль. Мимо нас с огромной скоростью движется поток автомобилей. Машины кажутся связанными невидимыми нитями. Они, словно в строю, безукоризненно соблюдают интервалы, одновременно ускоряя или замедляя ход.
Но вот движение на магистрали останавливается. Наш
АВТОМАГИСТРАЛЬ БУДУЩЕГО.
водитель поворачивает ручку, нажимает несколько кнопок. Теперь машина перестает его интересовать. Откинувшись на спинку сиденья, он уткнул нос в газету и закурил. С этого момента машина действует «по собственной инициативе». Она плавно трогается, сворачивает на шоссе и, заняв словно специально для нее оставленное место в строю автомобилей, вместе с ними несется по автостраде.
Мы находимся на автоматической магистрали. Машинами здесь управляет радиоэлектроника.
Под полотном шоссе проложены металлические ленты — своего рода антенны, излучающие в пространство электромагнитные сигналы. На каждом автомобиле имеется специальный приемник, улавливающий эти сигналы, и передатчик, посылающий сигналы на диспетчерский пункт, «докладывающий» о всех изменениях в движении машин.
Командные сигналы передаются с автоматических диспетчерских пунктов, расположенных вдоль магистрали на определенных расстояниях друг от друга.
Каждый автомобиль идет в своем ряду, точно над металлической лентой. Если он незначительно отклонился от центральной линии ряда, радиоэлектронный автомат тотчас поворачивает рулевое колесо в нужную сторону.
Перед водителем среди обычных автомобильных приборов находится небольшой телевизионный экран. На нем видна светящаяся карта. Это план участка магистрали, по которому идет машина.
Чтобы свернуть на одну из боковых дорог, водителю достаточно нажать кнопку. Передатчик, установленный на автомобиле, посылает на диспетчерский пункт условный сигнал. Остальное делают автоматы. Машина, уверенно лавируя, переходит во внешний ряд. Поворот... Теперь водителю пора брать управление в свои руки.
Модель такой автострады уже построена. Ее испытания дали отличные результаты. И, может быть, нам с вами удастся повторить наше путешествие, но уже не в воображении, а в условиях реальной действительности.
Радиоэлектронные машины способны управлять движением транспорта не только на магистралях, но и на улицах города. Уже не первый год уличное движение на 120 перекрестках Нью-Йорка регулируется «автоматическим полисменом» — быстродействующей машиной, которая одна заменяет 360 полицейских. Автомат включает тот или иной сигнал светофора в зависимости от того, сколько автомобилей приближается к перекрестку с каждого из четырех направлений, какое число машин скопилось перед перекрестком и как долго ожидает зеленого сигнала автомобиль, пришедший к перекрестку первым.
Так радиоэлектроника изменяет облик автомобильного транспорта. Да и сам автомобиль будущего, по крайней мере один из его вариантов,— это целиком радиоэлектронное устройство.
Такой автомобиль не нуждается в горючем — он приводится в движение энергией электромагнитных колебаний.
Электродвигатель имеет много преимуществ перед бензиновым мотором. Он экономичен, гораздо проще, надежнее и долговечнее бензинового мотора. Его тягу и скорость вращения легко регулировать без коробки передач. В случае нужды электродвигатель превращается в превосходный тормоз.
Вот сколько достоинств у электродвигателя. Но есть у него, и недостаток. Его сковывают провода. Вспомните троллейбус: соскочит ролик с провода, токоотводящий «ус» упрется в небо, и машина беспомощно остановится.
Если прибегнуть к аналогии, то трамвай или троллейбус напомнят нам проволочный телеграф. И невольно возникнет мысль: нельзя ли создать транспортное средство, которое можно было бы сравнивать с беспроволочным телеграфом, с линией радиосвязи: источник электрической энергии — в одном месте, потребитель — в другом, между ними — никаких проводов.
По существу при радиопередаче как раз и происходит перенос энергии на большие расстояния. Но вспомните, какая ничтожная часть электромагнитной энергии достигает приемника! Недаром приходится в тысячи раз усиливать принимаемо
мне сигналы, прежде чем они окажутся в состоянии раскачать рупор громкоговорителя.
Впрочем, так бывает не всегда. В недавно вышедшей книжке М. Г. Давыдова «Говорит Москва!» рассказывается о любопытной истории, случившейся лет двадцать назад.
Передачи одной мощной радиостанции с некоторых пор стали слышны намного хуже обычного. Отчего — неизвестно. Инженеры проверили передатчик «с ног до головы»: все оказалось в полном порядке. А слышимость никак не хотела улучшаться. В чем дело?
Ларчик просто открывался. Жители расположенного неподалеку от станции поселка наловчились по-своему использовать электромагнитную энергию, излучаемую антенной передатчика. Они сооружали «ловушки» — большие мотки проволоки, подключали к ним электрические плитки и лампочки и ждали, когда начнет работать радиостанция. Эти варварские ловушки отсасывали такое количество электромагнитной энергии, что слышимость передач, естественно, резко понижалась.
Что и говорить, случай курьезный. Но он свидетельствует о том, что можно передавать на расстояние и сравнительно большие «порции» электромагнитной энергии.
Итак, электроэнергию можно передавать на расстояние и без проводов. Другой вопрос: выгодна ли такая передача?
Долгое время считали, что беспроволочная передача электрической энергии неизбежно связана с колоссальными потерями и потому абсолютно невыгодна.
Но вот в 1942 году доктор технических наук Г. И. Бабат попробовал технически оценить возможности беспроволочной передачи электроэнергии наземному транспорту. Он выяснил, что передача электроэнергии с помощью электромагнитных волн действительно имеет мало перспектив. Излучать электромагнитные волны во все стороны равномерно — плохо: энергия расходуется буквально «на ветер». Направлять волны узким лучом — того не лучше: пока транспорт на виду, все в порядке, но стоит свернуть за угол, и конец — готовь буксирный трос.
Однако ученый нашел практически возможный путь.
Представьте себе такую картину. Электродвигатель соединен с катушкой колебательного контура. Другой контур подключен к мощному генератору. Оба контура настроены в резонанс.
Получился своеобразный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с источником электромагнитной энергии, а вторичная — с ее потребителем. Расчеты показали, что при частотах 20—60 тысяч колебаний в секунду от источника к потребителю будет передаваться до 90 процентов
энергии, если расстояние между обмотками не превысит 2—3 метров.
Всего два-три метра! Но и эта скромная цифра открывает перед новым видом транспорта завидные перспективы. Ведь первичную обмотку нашего трансформатора можно сделать в виде одного витка прямоугольной формы и поместить этот виток под асфальтом магистрали. Вдоль широких улиц легко проложить несколько параллельных линий. По таким магистралям машины смогут двигаться в любую сторону, разворачиваться, разъезжаться, обгонять друг друга. А вспомните, каково водителю троллейбуса, когда нужно объехать другой, стоящий, троллейбус!
Как видите, «ве-чемобиль»1 (такое название дал Г. И. Ба-бат изобретенному им транспортному средству) обладает уже известной свободой действий.
Более того, он может съезжать с магистрали и довольнодолго путешествовать по обычным, не-радиофицированным
улицам. Для этого служит специальный накопитель (аккумулятор) энергии. Обычные электрические аккумуляторы здесь малопригодны. Они не выдерживают быстрого разряда, очень недолговечны и неудобны в эксплуатации. Но оказывается,
1 От слов «высокая частота» (сокращенно — в. ч., или «ве че»).
«ВЕЧЕМОБИЛЬ». В центре (1) — передача электроэнергии на расстояние без проводов. Эта возможность будет использована в новом виде транспорта.
Основа вечемобиля — своеобразный электрический трансформатор. Первичная обмотка трансформатора (2), подключенная к мощному генератору токов высокой частоты, спрятана под асфальтом магистрали. А вторичная (3) —движется вместе с вечемобилем. Она соединяется с электродвигателем (4), который вращает колеса или раскручивает массивный маховик (5). Маховик накапливает «про запас» большое количество энергии. Если понадобится съехать с магистрали, вечемобиль воспользуется этим запасом энергии, рассчитанным примерно на час езды.
существует принципиально новый, механический аккумулятор. Это — массивный маховик, вращающийся на шарикоподшипниках в кожухе, из которого откачан воздух. Поскольку потери на трение в опорах и сопротивление воздуха малы, маховик крутится вхолостую по многу часов.
Маховик соединен с электродвигателем. Когда вечемо-биль находится на магистрали и снабжается энергией, маховик раскручивается до очень большой скорости. Когда же понадобится съехать с магистрали, энергия, запасенная маховиком, начнет понемногу расходоваться на дальнейшее движение вечемобиля.
Таким образом, вовсе нет нужды радиофицировать все улицы города. Достаточно проложить высокочастотные линии под основными магистралями, и вечемобили смогут свободно разъезжать по всему городу. При этом энергия будет автоматически подаваться только к тем участкам сети, над которыми в данный момент проезжает вечемобиль. Все остальное время сеть выключена.
В 1943 году под руководством Г. И. Бабата началось строительство опытных установок высокочастотного транспорта. Опыты показали, что экономичность вечемобиля примерно такая же, как и у троллейбуса. Иными словами, чтобы перевезти одну тонну груза на один километр, вечемобилю и троллейбусу требуется равное количество электроэнергии.
Применение высокочастотного транспорта сулит большие удобства. Современный автомобиль содержит в баке запас бензина — источник энергии. Это лишний груз, вместо которого можно было бы взять другой, полезный багаж. Кроме того, чтобы обеспечить автомобили горючим, на шоссейных дорогах и магистралях строятся бензоколонки. Бензин доставляется из отдаленных мест. Все это стоит недешево.
Да и нельзя забывать, что запасы нефти ограничены, бензин дефицитен, а электроэнергия становится все дешевле. В недалеком будущем атомные электростанции создадут изобилие электрической энергии. Тогда откроется широкая дорога высокочастотному транспорту.
Вечемобиль сделает город более чистым, тихим, красивым. Тяжкий запах бензинового перегара, окутывающий крупные населенные пункты, улетучится навсегда. Прекратится рев автомашин, скрежет и визг трамваев. Будет снята нависающая над улицами и площадями паутина троллейбусных и трамвайных проводов.
А теперь давайте поднимемся на борт самолета. Если бы мы вздумали пересчитать радиоприборы, установленные на нем, то, вероятно, сбились бы со счета. Достаточно указать, что стоимость радиоэлектронного оборудования составляет
приблизительно половину стоимости военного самолета. На истребителе найдется несколько сотен электронных ламп, а на тяжелом бомбардировщике они исчисляются тысячами.
По радио можно управлять движением самолета с земли. На таком самолете нет ни одного человека, «экипаж» состоит из различных радиоэлектронных устройств и механизмов, четко выполняющих команды, передаваемые с большого расстояния.
На радиоуправляемом самолете или корабле устанавливают приемник. На выходе приемника вместо громкоговорителя или телефонных наушников — особые электромагниты, приводящие в действие рули, изменяющие режим работы двигателя.
С земли или другого самолета передают по радио условные сигналы (например, точки или тире, как в телеграфной азбуке). В зависимости от характера сигнала срабатывает тот или иной электромагнит, и машина послушно выполняет волю пилота, находящегося за сотни метров и километров от нее.
Радио — это подлинные глаза и уши авиации.
Повсюду — на суше, в небесах, на море, вместе с тысячами поездов, автомобилей, самолетов и кораблей странствует радио. Но оно — не пассажир. Радио несет повседневную и разнообразную службу.
О
РАДИО УКАЗЫВАЕТ ДОРОГУ
Еще в 1897 году А. С. Попов , высказал мысль о том, что можно использовать радио для вождения судов в тумане, при полном отсутствии видимости. Попов предлагал установить радиостанцию на маяке.
Со временем возникла целая область науки о вождении судов методами радио — радионавигация.
Совершая «путешествие» по радиоприемнику, разбираясь в устройстве радиопередатчика, мы не уделили должного внимания одной важной детали — антенне. Зато сейчас, говоря о радионавигации, придется полностью воздать ей по заслугам; здесь антенне принадлежит, пожалуй, первая роль.
Возьмем вертикальный провод. Если присоединить его к радиопередатчику, то электромагнитные волны будут излучаться равномерно во всех направлениях к горизонту. Подключим такую антенну к приемнику — он одинаково хорошо примет сигналы, идущие со всех сторон. Значит, вертикальный провод — ненаправленная антенна, она излучает радиоволны, как лампочка, заключенная в молочно-белый абажур, испускает свет<
Существуют и другие — направленные антенны. Они излучают радиоволны в одну сторону подобно тому, как автомобильная фара — свет. Во время приема такая антенна улавливает сигналы, идущие тоже только с какой-то одной стороны. О направленных антеннах мы упоминали, когда речь шла о радиолокации. Познакомимся теперь поближе с одним типом направленных антенн, применяемых на длинных волнах.
Это так называемая рамочная антенна. Она состоит из нескольких витков провода, намотанного на рамку, которую можно поворачивать вокруг вертикальной оси.
Включим радиопередатчик, а сами, захватив приемник, сядем в автомобиль и отправимся в путь. Будем ездить по кругу, в центре которого находится передатчик. Пусть к передатчику присоединена ненаправленная антенна — вертикальный провод. В любой точке нашего маршрута передача будет слышна одинаково громко. Но вот к передатчику присоединили рамочную антенну. Теперь при движении по кругу слышимость стала меняться. Она то возрастает, то падает, то исчезает вовсе. Если нарисовать, как изменяется слышимость, то получится восьмерка — две соприкасающиеся окружности. Расстояние от центра диаграммы (точки соприкосновения окружностей) до какой-нибудь точки на восьмерке показывает силу приема в этом направлении.
Картина не изменится, если рамку присоединить к приемнику, а передачу вести на обычную ненаправленную антенну.
Почему же сила приема зависит от того, как расположена рамка относительно радиопередатчика?
...Вот радиоволна накатывается на рамочную антенну. При этом в обеих вертикальных сторонах рамки наводятся токи высокой частоты, направленные в одну сторону, скажем, снп-другу. Общий ток в
рамочной антенне будет равен разности токов в этих двух сторонах рамки. Действительно, если плоскость рамки составляет некоторый угол с направлением на радиостанцию, то одна вертикальная сторона рамочной антенны окажется ближе к передатчику, нежели другая; одной стороны волна достигнет раньше, другой = позже,. Поэтому в один и тот же момент
НЕНАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА излучает радиоволны во все стороны одинаково.
Они текут навстречу друг
токи высокой частоты в первой и второй сторонах рамки будут несколько различны. По проводу антенны потечет разностный ток, приемник воспримет его, и мы услышим передачу.
Если плоскость рамки направлена точно на радиостанцию, то разностный ток, как нетрудно догадаться, наиболее велик, и, следовательно, сила приема максимальна. Если же рамка установлена перпендикулярно направлению на передатчик, то обе ее стороны находятся на одинаковом расстоянии от него, токи одинаковы, разностный ток равен нулю. При таком расположении рамочной антенны мы ничего не услышим.
Если к оси рамочной антенны прикрепить стрелку, то с ее помощью можно будет отсчитывать направление на радиостанцию, откладывая угол поворота рамки от направления «север — юг».
Но у рамочной антенны есть крупный недостаток: она может обмануть. Вот мы отложили на карте направление, вдоль которого распространяются радиоволны. Но как узнать, с какой именно стороны они идут — спереди или сзади? Ведь рамка одинаково хороню или одинаково плохо улавливает сигналы, идущие с прямо противоположных направлений! И вот вместо того чтобы приближаться к радиостанции, мы будем удаляться от нее!
Как же исправить рамку? Для этого нужно приставить к ней обычную ненаправленную антенну. Иными словами, прием надо вести одновременно на две антенны — рамку и вертикальный провод. И получается удивительная вещь: рамка «двунаправлена», вертикальный провод не имеет направленности, а вместе они ведут себя, как антенна, дающая наибольшее излучение в одну сторону!
Диаграмма направленности рамочной антенны — восьмерка. Диаграмма направленности вертикального провода — окружность (ведь все точки окружности одинаково удалены от центра — значит, и сила сигнала во всех направлениях одна и та же). А общая диаграмма направленности, получающаяся от сложения восьмерки и окружности, имеет очертание сердечка. Поэтому ее называют кардиоидой (от слова «кардиа» — «сердце»).
Присмотритесь к этой диаграмме. Ее ось направлена вдоль плоскости рамки. Но если с одного конца оси сила приема максимальна, то с другого она равна нулю или, практически, очень мала. Таким образом, здесь мы уже можем с полной уверенностью сказать, в каком направлении расположена радиостанция. Для этого нужно поворачивать рамку до тех пор, пока слышимость не достигнет минимума. Радиостанция в той стороне, куда направлена впадина кардиоиды.
Установим рамочную антенну на палубе корабля. Теперь в любой туман мы можем определить местоположение судна. Вот как это делается.
На мореходной карте помечены координаты береговых станций— радиомаяков. Приемник настраивают на одну из них и
рамку поворачивают в такое положение, при котором слышимость исчезнет. Далее по шкале отсчитывают угол между направлением на станцию и линией «север—юг», определяемой по компасу. На карте проводят линию, идущую под этим углом через точку, где находится передатчик. Теперь
НАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА. Рамочная антенна — направленная. Она излучает наибольшее количество электромагнитной энергии в двух противоположных направлениях. Два других направления, перпендикулярные первым, получают ничтожную долю радиоволн. Вот почему, если двигаться с приемником вокруг передатчика с рамочной антенной, слышимость будет изменяться—то нарастать, то падать. Диаграмма направленности рамочной антенны — восьмерка.
настраивают приемник на другую станцию и делают то же самое. На карте появится новая линия, проходящая под найденным углом через точку, в которой расположена вторая
радиостанция.
Обе эти линии проходят через точку, где находится сейчас наше судно. Пересечение линий как раз и указывает место корабля.
Чтобы определить координаты судна с большей точностью, нужно засечь или, как говорят радисты, запеленговать три береговые радиостанции. Из-за неточности, которая неизбежна при измерениях, три линии, проведенные на карте, пересекутся не в одной точке, а образуют в месте пересечения небольшой треугольник. В центре его и расположен корабль.
Возможно и обратное — из трех пунктов на берегу запеленговать корабельный передатчик. Если затем нанести три полученных направления на карту, то также будут установлены координаты корабля. Помните замечательный кинофильм «Если парни всего мира...»? Маленькое рыбацкое судно терпит бедствие. На корабле — повальная болезнь. Людям грозит гибель. В эфир летят призывы о помощи. Радиолюбители-коротковолновики — парни всего мира — включаются в необычную эстафету, цель которой — доставить на судно спасительную сыворотку. Но как узнать, где именно дрейфует
корабль? Вот здесь и приходит на помощь радиопеленгация. Судовой передатчик пеленгуют с берега и к месту его нахождения доставляют медикаменты.
А как быть, если судно не стоит на месте? Пока мы запеленговали одну радиостанцию, затем вторую, оно успевает пройти какое-то расстояние. И в наши измерения вкрадывается ошибка. В мореплавании эта погрешность не так велика, ведь корабли движутся сравнительно медленно. А авиация? За время, которое требуется для пеленгации, современный самолет успеет пролететь десятки километров. Вот и выходит, что штурман все время будет измерять «вчерашний день» — наносить на карту точки, далеко несовпадающие с истинным местоположением самолета.
Чтобы избавиться от подобного рода ошибок, создали автоматический пеленгатор — радиокомпас. В нем рамка вращается особым электромоторчиком, получающим «команды» от радиоприемника.
Если рамка расположена так, что сигналы радиостанции воспринимаются приемником, он автоматически включает электромоторчик, и рамка начинает поворачиваться. Это продолжается до тех пор, пока антенна не станет в такое положение, при котором прием отсутствует. Приемник перестает воспринимать сигналы, моторчик выключается, и рамка останавливается.
Но вот самолет
отклонился от заданного курса. Рамка, естественно, повернулась вместе с ним и заняла новое положение относительно радиостанции. Приемник снова начинает воспринимать сигналы. Сразу же включается моторчик, который доворачивает рамку, пока прием опять не прекращается. Стрелка, враща-
КАРДИОИДА. Диаграмма направленности антенны в виде рамки и вертикального провода получается от сложения восьмерки и окружности и имеет очертание сердечка. Поэтому ее называют кардиоидой (от слова «нардиа» — «сердце»). Кардиоида имеет одно «излюбленное» направление, куда она излучает наибольшее количество электромагнитной энергии.
ющаяся вместе с рамкой, останавливается уже против какого-то другого деления шкалы, и штурман видит: самолет уклонился в сторону.
Если соединить два таких автоматических пеленгатора, настроив первый из них на одну станцию, а второй на другую, то летчик в любой момент будет знать положение машины относительно каждой из этих станций. Построение на карте
РАДИОМАЯК. Две рамочные антенны, повернутые под углом примерно в 130 градусов друг к другу, поочередно излучают телеграфные сигналы А и Н. В пространстве образуется невидимая дорожка — равносигнальная зона, на которой обе буквы слышны одинаково громко. Летчику важно не сбиться с этой дорожки, и тогда он обязательно прилетит к аэродрому, где расположен радиомаяк.
Обычно используются узкие торых проходит так называемая
не займет много времени, и координаты воздушного корабля станут близки к истинным.
Так работает важнейший радионавигационный прибор — радиокомпас.
Но ориентироваться по радио можно и с помощью самого обычного приемника.
Существуют специальные направленные радиомаяки. В простейшем из них передача ведется на две рамочные антенны, повернутые под углом примерно в 130 градусов друг к другу. Одна из них излучает в пространство телеграфный сигнал, соответствующий букве А (точка— тире), другая — Н (тире — точка). Эти сигналы передаются поочередно.
Диаграммы направленности (восьмерки) двух рамочных антенн накладываются друг на друга, и в пространстве образуются два узких и два широких лепестка, в которых слышны обе буквы, лепестки, в направлении ко-равносигнальная зона радио
маяка, то есть линия, на которой оба сигнала слышны одинаково громко.
Рамки ориентируют таким образом, чтобы равносигнальная зона совпадала с маршрутом самолета и корабля. Если самолет или судно идет точно по маршруту, то буквы А и Н слышны с одинаковой громкостью. Но стоит кораблю отклониться в сторону, как одна из букв начинает звучать громче другой, как бы предупреждая: внимание, следи за курсом!
Такие маяки указывают дорогу в прибрежных водах, облегчают судоходство, делают его безопасным и надежным.
Радиомаяки применяются и в авиации. В 1937 году во время экспедиции на Северный полюс радиомаяк был установлен на Земле Франца Иосифа. Его «дальнобойность» превышала 1000 километров. С помощью этого маяка была проложена воздушная дорога, по которой самолеты достигали полюса.
В наши дни создано много других более совершенных радиомаяков, помогающих летчикам успешно преодолевать любые маршруты в пургу и в туман, днем и ночью. Специальные по
садочные маяки обеспечивают благополучное приземление, даже когда земли совершенно не видно.
В будущем значение радионавигации еще более возрастет. Пост штурмана на самолете и корабле займет быстродействующая электронная машина. Она проведет самолет или судно по самому сложному маршруту. Ее навигационному искусству позавидует любой воздушный и морской «волк».
Как видите, будущее морского и воздушного транспорта прочно связано с радиоэлектроникой, с ее дальнейшим прогрессом.
КАК ПОДСЛУШАЛИ РАЗГОВОР ЗВЕЗД
В теплую августовскую ночь, когда с земли текут вверх струи нагретого воздуха, а небо маняще мерцает, человек с пылкой фантазией начинает верить, что где-то в звездных безднах идет грандиозная перекличка, что не только в стихах, но и в действительности «звезда с звездою говорит».
И вот четверть века назад людям удалось «услышать звезды».
В начале тридцатых годов, исследуя радиопомехи, ученые натолкнулись на один вид радиопомех, которому трудно было дать объяснение. Помехи возникали периодически, через каждые 23 часа 56 минут, то есть один раз в звездные сутки \ Это наводило на мысль, что источник помех находится вне Земли. Дальнейшие исследования подтвердили догадку. Странные радиосигналы исходили из космического пространства, из Вселенной. Кто посылает их?
Ответ на этот вопрос мог обрадовать и поэтов, и ученых. Оказалось, что Земля «принимала» звезды.
1 Время, за которое Земля делает один оборот по отношению к звездам.
Систематические наблюдения за небесными «радиопередачами» начались в 1944 году и продолжались все более интенсивно в послевоенные годы. Так родилась новая наука о небесных телах — радиоастрономия. Она во многом дополняет обычную оптическую астрономию — одну из наиболее древних наук.
Астрономия достигла исключительно высокого уровня, когда радиоэлектроники не было и в помине, когда люди не знали об электрическом токе. И уже в те времена астрономы открыли законы движения планет, научились предсказывать солнечные и лунные затмения.
Оптика вооружила ученых тончайшими астрономическими приборами. Каждую звездную ночь в небо устремляются жерла гигантских телескопов. Но часто случается и так: приготовится астроном наблюдать какую-нибудь редчайшую комету, а небо, словно нарочно, покрылось тучами. К утру тучи рассеялись. Тут бы и наверстать упущенное. Да где уж, теперь мешает солнечный свет. Атмосфера, точно огромное матовое стекло, загораживает от нас звезды. Лишь на короткое время открывается в нем «окно», сквозь которое можно наблюдать Вселенную.
Тысячелетия астрономы зависели от капризов природы. И вдруг, нежданно-негаданно в астрономии произошел переворот. Выяснилось, что звезды, можно не только рассматривать, но и «слушать». Астрономы получили мощное и безотказное оружие — радиотелескоп. «Матовое стекло» атмосферы, издревле мешавшее изучать Вселенную, стало прозрачным.
Радиотелескопом называют особую антенну в совокупности с чувствительнейшим радиоприемником. Антенна устроена так, что воспринимает электромагнитные волны только с той стороны, куда она направлена. По углу ее поворота легко узнать направление, в котором находится источник радиоволн.
Чаще всего антенна радиотелескопа представляет собой огромное вогнутое зеркало из металлических кружев или сплошного металла. Такие зеркала, диаметром иногда свыше 10—15 метров, вращаются на массивных опорах, подобно гигантским прожекторам.
С помощью радиотелескопов ученые за каких-нибудь 10—12 лет собрали колоссальный материал, который по-новому осветил многие процессы, происходящие в мировом пространстве.
Так, методами радиоастрономии обнаружены скопления межзвездного газа водорода, что было недоступно обычному телескопу.
Радиоастрономы получили уже первые опытные данные о внутреннем строении Солнца, исследовали некоторые звездные
ЗВЕЗДУ, КОТОРУЮ НЕЛЬЗЯ УВИДЕТЬ, МОЖНО «УСЛЫШАТЬ». Ото позволило сделать радиотелескоп, соверпшв-ппш подлинный переворот в астрономии. Гигантская металлическая антенна и чувствительнейший приемник ловят радиоволны, излучаемые далекими небесными телами, и дают науке новые важные сведения.
туманности. Такие туманности состоят из миллиардов звезд. Они
настолько далеки от Земли, что их свет идет к нам миллионы лет.
Выяснилось, что иногда мощные источники радиоизлучения возникают в результате космических катастроф. Например, в созвездии Лебедя ученые методами радиоастрономии обнаружили две сталкивающиеся звездные системы — галактики.
Исследованы также газовые туманности, возникающие вследствие огромных космических взрывов, когда сравнительно слабая звезда внезапно ярко вспыхивает, разрастается до огромных размеров и затем превращается в газовое облако.
Даже Луна, и та посылает на Землю радиоволны. Впрочем, Луну можно исследовать иным, «активным» путем — с помощью радиолокации. Лучи локаторов позволяют буквально «ощупать» поверхность нашего спутника. Этим же методом изучают движения метеоритов. Ученые собираются использовать его и для изучения планет, в первую очередь Венеры и Марса.
Радиоастрономия дает возможность лучше познакомиться с процессами, происходящими в земной атмосфере, предсказывать магнитные бури — бич радиосвязи.
Новая паука пригодится и мореплавателям. С помощью радиотелескопов, установленных на кораблях, можно ориентироваться по звездам в любое время суток, независимо от погоды. Небольшие радиотелескопы найдут применение и в авиации.
Из этих примеров видно, какую роль начинает играть радиоастрономия. Но еще больше возрастет, ее удельный вес в будущем.
Мы стоим на пороге космических перелетов. Ракетные корабли будут управляться посредством специальных радиотелескопов, передающих команды с Земли и принимающих сигналы с ракеты. Первыми космонавтами окажутся не люди, а радиоприборы. Они разведают мировое пространство, и только тогда двери ракетного корабля раскроются для человека.
Но и во время самого первого полета ученые благодаря телевизору смогут видеть все, что делается, внутри корабля, наблюдать показания приборов. Перед людьмй, находящимися на Земле, предстанет величественная картина мирового пространства, как если бы они были на борту ракеты и сами совершали космический полет.
Так люди используют радио для изучения мирового пространства. Так радиоэлектроника помогает покорять Вселенную,
В НЕДРАХ МИКРОМИРА
Радиоэлектронике «подвластны» не только космические пространства. С ее помощью ученые проникают и в другой мир — в заповедные недра вещества.
Что такое обычный микроскоп, в наше время знает любой школьник. Этот превосходный оптический инструмент сыграл незаурядную роль в развитии науки. Благодаря «волшебному стеклу» люди познакомились с новым для них миром, полным неведомой жизни, заселенным мириадами существ, распознали причину ряда заразных болезней, разглядели строение клеток, образующих живую ткань, исследовали структуру металлов и других тел.
Заслуги оптического микроскопа неоспоримы. Но он уже исчерпал свои возможности, не поспевает за бурным ростом науки.
В оптический микроскоп нельзя увидеть предметы меньше двух десятитысячных долей миллиметра.
Почему? Может быть, увеличение, обеспечиваемое микроскопом, удастся повысить в дальнейшем, когда его конструкция будет еще и еще раз улучшена?
К сожалению, нет. Вся беда в том, что предел увеличения зависит не от пороков конструкции, а от свойств самих световых лучей. Мы знаем, что видимый свет представляет собой электромагнитные колебания с длиной волны от 4 до 7 десятитысячных долей миллиметра. Значит, распространение световых лучей подчиняется законам волнового движения.
А как ведут себя волны — известно. Морская, например, волна, встречая на пути скалу, ударяется о нее и откатывается обратно. Если же попадается небольшой камень, волна обходит его и продолжает свой бег.
Так и свет. В одном случае световые лучи отражаются предметом, в другом — огибают его. Все зависит от того, что больше: длина световой волны или размеры предмета. Если предмет значительно больше, чем длина волны, то луч отражается, если меньше — луч огибает препятствие и, как ни в чем не бывало, идет далее.
Поэтому-то оптический микроскоп и не позволяет рассматривать предметы меньше двух десятитысячных миллиметра. Свет огибает их, в результате чего изображение получается искаженным до неузнаваемости. Предметы, расположенные на таком расстоянии друг от друга, в поле микроскопа сливаются между собой.
Вот почему оптические микроскопы увеличивают изображения предметов не более чем в несколько тысяч раз. Перешагнуть этот рубеж можно лишь с помощью прибора, основанного не на использовании световых лучей, а на совершенно ином явлении.
Таким ’ прибором и послужил электронный микроскоп. В нем вместо световых волн используются электроны. Узкий пучок электронов направляется на рассматриваемый предмет. От поверхности предмета электроны отражаются по-разному, в зависимости от ее характера. Отраженный луч как бы несет в себе скрытое изображение исследуемого предмета. Теперь это изображение нужно увеличить и «проявить» — только тогда оно станет доступно зрению.
Увеличение и фокусировка изображения осуществляются специальными электрическими или магнитными «линзами», почти такими же, как в обычной телевизионной трубке.
Пройдя через линзы, электроны наталкиваются на экран, тоже как в телевизионной трубке. На экране появляется изображение рассматриваемого предмета, увеличенное в сотни тысяч раз.
Размеры электронов очень малы, в десятки тысяч раз меньше, чем размеры атомов. В этом секрет колоссального увеличения, которое дает электронный микроскоп.
Конструкция электронного микроскопа сложна. В нем есть
Злектронная пушка
Конденсорная линза
Объективная линза
изучаемый предмет
Промежуточное изображение
Проекционная
линза
ДЛИНА СВЕТОВОЙ волны слишком ... ВЕЛИКА, чтобы свет мог отразиться от предметов меньше двух десятитысячных миллиметра. Такие предметы позволяет видеть электронный микроскоп. Электронная пушка испускает поток электронов. Он сжимается в узкий луч конден-сорной линзой и направляется на изучаемый предмет. Пройдя через «объектив», этот луч дает промежуточное изображение, которое увеличивается проекционной линзой и «проявляется» на экране, как в обычной телевизионной трубке.
Окончательное изображение
и своего рода ускоритель заряженных частиц, и разнообразная электронная оптика, и светящийся экран. Для работы прибора необходим электрический ток с напряжением иногда свыше 100 тысяч вольт. Чтобы воздух не мешал движению электронов, его приходится все время откачивать. Этим занимаются особые вакуумные насосы, создающие в камере электронного микроскопа необходимое разрежение.
Электронный микроскоп сразу же завоевал признание ученых. Его стали широко применять в медицине, био
логии, химии, кристаллографии, металлургии. С помощью этого замечательного прибора можно непосредственно наблюдать молекулы некоторых веществ. Исследование белковых
ным объяснить возникновение жизни,
молекул поможет уче-превращение мертвого
вещества в живую ткань.
Изучение процессов, связанных с возникновением и ростом кристаллов, приведет к созданию сверхпрочных, не боящихся коррозии сплавов. В конечном счете это даст большой экономический эффект, сохранит многие тонны металла.
Увеличение, получаемое в электронных микроскопах, в сотни раз больше, чем в оптических. Но и оно имеет предел. Как показали исследования, электронные лучи также не лишены волновых свойств, в том числе способности огибать
ничтожно малые предметы.
Однако средства и возможности радиоэлектроники столь разнообразны и неисчерпаемы, что можно не сомневаться:
в будущем ученые создадут новые типы микроскопов, основанные, быть может, на каких-то иных, пока неизвестных принципах. Эти «ультрамикроскопы» будут обладать еще более высоким «потолком» увеличения. И тогда мы сможем наблю* дать своими глазами мир атомов.
НА СТРАЖЕ ВРЕМЕНИ
Представьте себе на минуту: проверка часов во всем мире прекратилась, сигналы точного времени не звучат более в эфире, напоминая и машинисту паровоза, и трактористу, и директору театра, и врачу, и студенту: «Проворьте ваши часы!» Придя на вокзал, вы не застанете поезда: ваши часы отстали, а вокзальные ушли вперед. Нарушится работа всех предприятий, так как каждый будет приходить и уходить по своим часам. Школьник, придя на занятия, с удивлением узнает, что идет уже второй урок. Корабли будут блуждать по морям, так как штурманы не сумеют точно определить свое местонахождение, на железных дорогах наступит хаос, прервется связь, словом, нарушится, если не замрет совсем, нормальная жизнь во всем мире. Вот что такое время для человеческого общества. Без точного времени немыслима жизнь современного человека.
Как узнают точное время? Как добиваются, что часы на улице и на вокзале, в автомашине и на руке прохожего показывают одинаковое время. Правильнее сказать: примерно одинаковое. И причем здесь радиоэлектроника?
За единицу времени издавна принимают сутки, потому что они имеют определенную продолжительность и регулярно по-150
вторяются. За сутки земной шар совершает один оборот вокруг своей оси.
Но Земля вращается вместе со всем, что на ней находится, в том числе и с нами. Поэтому-то мы и не можем почувствовать ее вращения. Так, пассажир, сидящий в каюте спиной к иллюминатору, не чувствует движения парохода. Лишь взглянув в окно, он заметит, как уплывают во тьму огни фонарей на берегу. В небе тоже есть такие «фонари». Это — звезды. Нам кажется, что мы стоим на месте, а небосвод, или, как говорят астрономы, небесная сфера вместе со звездами безостановочно вращается вокруг невидимой оси. В действительности же вращаются не звезды, а Земля. Вращается плавно и равномерно, как часовая стрелка, и совершает за сутки полный оборот. Но как пользоваться такими «часами»?
Возьмите картонную трубку, диаметром около сантиметра и длиной с полметра, прибейте ее прочно к столбу во дворе, предварительно направив на какую-нибудь яркую звезду. Заметьте время, а назавтра придите и посмотрите в это же время на вашу звезду. Вы вновь увидите ее на том же месте.
Примерно так же поступают ученые-астрономы. За «облюбованной» звездой они наблюдают через специальные зрительные трубы. В тот момент, когда звезда проходит через избранную точку, пускают часы. Так судья на спортивных состязаниях засекает момент, когда бегун касается ленточки на финише. Назавтра астроном вновь засекает прохождение звезды и высчитывает, на сколько ушли или отстали его часы. Таким образом астрономы узнают время по ходу колоссальных «часов», на которых живем мы с вами,— по вращению Земли.
— Позвольте,— скажете вы,— а как быть в промежутках между наблюдениями, то есть днем? Или еще: как быть, если подряд несколько ночей небо будет закрыто тучами?
Значит, мало только узнать точное время — надо его еще и сохранить от наблюдения до наблюдения. Современная наука и техника предъявляют к точности определения времени чрезвычайно высокие требования. Штурмана корабля дальнего плавания или геодезиста, составляющего географическую карту, уже не удовлетворяют часы главного кондуктора скорого поезда. Их часы — хронометр — должны быть намного точнее.
От чего же зависит точность хода часов? Почему наш домашний будильник спешит или отстает на одну-три минуты в сутки, а хронометр за это время допускает ошибку в десятую долю секунды? Все дело в маятнике, управляющем ходом часов.
Маятник обыкновенных ходиков — это небольшой жестяной кружок. Передвинем кружок вниз. Этим мы как бы удлиним сам маятник. Прислушайтесь, как идут теперь часы: маятник стал качаться реже, часы пошли медленней. Если
же двинуть кружок вверх, то маятник, наоборот, зачастит, и часы побегут.
Изменяя ход часов, мы двигали кружок рукой. А может ли маятник «сам по себе» стать длинней? Конечно, может. Ведь он металлический, а металл при изменении температуры сжимается или расширяется. Стало быть, если после того, как мы отрегулировали часы, температура изменилась, то изменилась и длина маятника, и вся наша регулировка пошла насмарку.
Как и всякое тело, движущееся в воздухе, маятник испытывает его сопротивление. Но воздух не остается всегда неизменным. С повышением атмосферного давления он становится плотней, маятник испытывает большее сопротивление. Когда же давление падает, происходит обратное. Поэтому отрегулированный при определенном давлении воздуха маятник при перемене давления будет качаться иначе, и часы опять-таки пойдут неточно.
Не менее опасны для часов изменение влажности воздуха, трение в частях механизма, толчки и т. д. Как же сохранить точное время? Такой вопрос встал перед учеными и конструкторами.
Зная «врагов» точного времени, ученые и конструкторы начали искать и средства борьбы с ними. В самых точных часах, по которым проверяют время между астрономическими наблюдениями, сделали маятник из специального сплава — инвара, что в переводе с латинского означает «неизменный». Длина такого маятника, а следовательно, и частота, с которой он колеблется, почти не зависит от температуры. Чтобы на ход этих часов не влияло атмосферное давление, их помещают в цилиндр, из которого затем откачивают воздух. А для устранения малейших толчков часы опускают глубоко под землю в специальные бетонированные подвалы. Показания этих часов передаются специальным устройством в другое помещение, так что на сами часы смотреть вовсе не нужно.
Благодаря всем этим мерам точность часов-хранителей времени очень высока: за сутки они уходят или отстают всего лишь на тысячную долю секунды. Казалось, большего и желать нельзя, но и такая точность теперь недостаточна. Астроном, вычисляющий движение небесных тел, и геофизик, раскрывающий тайны строения Земли, и ученый, изучающий ход ядерных процессов, потребовали еще более точных часов.
Возможностичасов скачающимся маятником были исчерпаны. Значит, надо вовсе отказаться от старой конструкции, совершенно по-иному решить задачу.
И вот тогда-то конструкторов выручила радиоэлектроника. На помощь пришел камешек, который называется кварцем.
Происхождение слова «кварц» связано со старинными не
мецкими легендами, а в переводе на русский оно звучит ласково — «гномик», «лилипутик». Свойства кварца оправдывают происхождение его названия, они чудесны.
Кварц встречается повсюду в разных обличьях — в виде обыкновенного песка, округлой гальки, красивых многогранных кристаллов. Одна из разновидностей кристаллического кварца — прозрачный, как родниковая вода, горный хрусталь. Из него делают вазы, бокалы, люстры.
Кварц очень прочен. Необходим многотонный груз, чтобы раздавить кубик кварца с ребрами в 1 сантиметр. Кварц очень тверд — тверже его только алмаз, корунд и топаз. При нагреве он почти не расширяется, воздействию кислот (за исключением плавиковой кислоты) не поддается.
Какое, однако, отношение имеет этот камешек к радиоэлектронике, а оба они — к измерению времени?
Здесь придется рассказать еще об одном чудесном свойстве кварца.
Вырежем из кварцевого кристалла плоскую пластинку и вложим ее между двумя металлическими пластинками-уэлектро-дами, к которым подключим электрометр — прибор для обнаружения электрического заряда. А теперь сдавим пластинку кварца и посмотрим на стрелку прибора. Стрелка отклонится. Значит, на гранях кварцевой пластинки при сдавливании возник электрический заряд.
И наоборот, если подключить электроды к электрической батарее, то пластинка сожмется или растянется — это будет зависеть от того, на какой ее грани скопились положительные и на какой отрицательные заряды.
Такое свойство кварцевых кристаллов назвали пьезоэлектрическим эффектом от греческого слова «пьезо», что значит «давить». Как видите, кварцевая пластинка благодаря этому свойству может превращать электрическую энергию в механическую и обратно.
А что произойдет, если подключить электроды не к батарее, где течет постоянный ток, а к осветительной сети, направлен ние тока в которой все время меняется? Тогда положительный и отрицательный заряды будут поочередно накапливаться то на одной, то на другой грани пластинки. Она начнет поочередно сжиматься и растягиваться, то есть колебаться. Сколько раз изменится направление тока, столько раз сожмется и растянется пластинка. Но это еще не все. Кварцевая пластинка, как и маятник часов, обладает собственной частотой: после толчка она очень точно сохраняет частоту колебаний, которая зависит от размеров самой пластинки. А так как размеры кварца при изменении температуры изменяются ничтожно мало, то и частота его колебаний остается почти постоянной. Например,
если пластинку нагреть или охладить на один градус, то частота ее изменится всего лишь на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента! Что может быть лучше такого маятника для сверхточных часов!
Если вы увидите кварцевые часы впервые, то едва ли догадаетесь, что это часы, до того необычен их вид. Вы не найдете здесь ни пружины, ни гирь, ни мерно раскачивающегося маятника. Маятником в этих часах служит кварцевая пластинка. Колебания ее поддерживаются с помощью лампового генератора. Генератор — своеобразная пружина кварцевых часов, которая черпает энергию от электрических батарей и возбуждает колебания кварцевой пластинки.
Но нужен еще зубчатый механизм, связывающий маятник со стрелками. Роль такого механизма в кварцевых часах играет особый электромотор, у которого скорость вращения (число оборотов в минуту) зависит от частоты переменного тока. Чем чаще изменяется направление тока, тем быстрее вращается вал мотора. Частота тока, вырабатываемого ламповым генератором, в точности равна собственной частоте кварца, последняя же остается почти неизменной, поэтому строго постоянно и число оборотов мотора в минуту.
Соединив подобный электромотор с механизмом, вращающим часовые стрелки, мы получим чрезвычайно точные часы. Такие часы могут отставать или спешить всего лишь на десятитысячную долю секунды в сутки, то есть в десять раз меньше, чем лучшие маятниковые часы. За тридцать лет кварцевые часы, если их не регулировать, могут допустить ошибку всего на одну секунду.
Когда кварцевые часы были построены и выверены, то ученые пришли к очень интересному выводу. Оказалось, что земной шар не так уж равномерно вращается вокруг своей оси. На протяжении года продолжительность суток меняется на несколько десятитысячных долей секунды. Так с помощью часов, созданных человеческим разумом, был проверен ход «часов», рожденных самой природой!
Кварцевые часы имеются во многих научно-исследовательских институтах и обсерваториях. Ими располагают, например, Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэрофотосъемки и картографии, Астрономический институт имени Штернберга, Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений.
Мы только что назвали кварцевые часы сверхточными. Но точность — понятие относительное. Уже сейчас ученые нуждаются в еще более точных часах, с помощью которых можно было бы осуществить то, что до сих пор делать не удавалось: например, заранее предсказать землетрясения по нич
тожным колебаниям скорости, с которой вращается Земля. Сколько бедствий удалось бы предотвратить тогда! Вспомните Крымское землетрясение 1927 года или недавнее Ашхабадское землетрясение. Они застали нас врасплох. А ведь им предшествовали какие-то нарушения — «перебои» в движении Земли! Вот где пригодились бы часы, идущие с точностью, скажем, до одной миллионной доли секунды в сутки. Они помогли бы вовремя обнаружить грозные перебои.
Да возможны ли вообще такие часы?
Ученые отвечают на этот вопрос утвердительно.
Несколько лет назад зародилась новая область науки — радиоспектроскопия. Подобно тому как обычная спектроскопия изучает спектры световых лучей \ радиоспектроскопия занимается спектрами радиоволн, преимущественно миллиметровых. Новая наука установила, что электромагнитные колебания различных частот, проходя через газы, поглощаются, причем по-разному. Каждый газ наиболее сильно поглощает колебания определенной частоты, как бы резонирует на них.
Отчего так получается? Дело в том, что атом или молекула газа — это тоже упругое тело, обладающее определенной собственной частотой. Поскольку в одном и том же веществе все атомы или молекулы одинаковы, совпадают и их собственные частоты. Эти частоты обладают поразительным постоянством, они практически не зависят от внешних влияний — температуры, атмосферного давления и т. п. Вот почему так заманчиво использовать колеблющийся атом или молекулу в качестве часового маятника.
Здесь опять-таки не обойтись без радиоэлектроники. Ведь колебания молекул надо как-то усилить, преобразовать в переменный электрический ток, заставить ток двигать часовые стрелки.
Вот как устроены простейшие молекулярные часы. В резервуаре, из которого откачан воздух, находится сосуд с разреженным газом — аммиаком. В стенке сосуда сделана щель, сквозь которую молекулы аммиака вылетают наружу. При этом они не только движутся вперед, но и колеблются. Поток колеблющихся молекул направляется в так называемый объемный резонатор — радиоэлектронную колебательную систему, настроенную на их частоту. В резонаторе возникают электрические колебания. Они усиливаются ламповым усилителем и после ряда преобразований приводят в действие часовые стрелки, как это делается в кварцевых часах.
Точность молекулярных часов баснословна. Чтобы они ушли вперед или отстали на секунду, потребуется 3 000 лет!
1 О спектре см. раздел «Проводник наполовину».
ЗВУКИ, КОТОРЫХ НЕ слышно
В годы первой мировой войны известный французский физик Ланжевен, впоследствии коммунист, работал над созданием прибора, позволяющего издали обнаруживать вражеские подводные лодки. Для этой цели он решил использовать неслышимые ультразвуковые волны.
Если на пути звуковой волны возникает препятствие: горы, скалы, лес, то волна отражается от него и возвращается назад в виде эха.
Это свойство звуковых волн Ланжевен и решил использовать для дальнего обнаружения подводных лодок. Зная скорость . распространения волны в воде, а также время между посылкой короткого ультразвукового сигнала — импульса — и его возвращением, можно подсчитать расстояние до подвОд-ной лодки или другого препятствия, отразившего звук.
На этом же принципе основана радиолокация, только там используются не звуковые, а электромагнитные волны.
В качестве источника ультразвуковых волн Ланжевен применил уже знакомую нам пьезокварцевую пластинку. Пластинка подключалась к мощному генератору электрических колебаний и вследствие пьезоэффекта начинала интенсивно ко
лебаться. При этом она «подкачивала» воду, и в воде появлялся узкий, направленный под прямым углом к пластинке пучок ультразвуковых волн.
Кварцевая пластинка служила и приемником ультразвука. Звуковая волна, встречая такую пластинку на пути, заставляет ее колебаться (вспомните, как колеблются на волнах мелкие .щепки, клочки бумаги и т. п.). В результате пьезоэффекта пластинка преобразует энергию ультразвуковых волн в энергию электрических колебаний, которые затем воспринимаются специальным радиоприемником.
Таким образом, излучение, и прием ультразвука основаны на радиоэлектронике. В любой ультразвуковой установке вы найдете мощный генератор электромагнитных колебаний, а в некоторых устройствах — и чувствительный радиоприемник.
Какое же применение находит ультразвук в народном хозяйстве?
Начнем с мореплавания. На многих судах имеется эхолот— ультразвуково!! прибор, позволяющий определять глубину моря, промерять рельеф морского дна, обнаруживать подводные скалы и затонувшие корабли.
Недавно ученые сделали интересное открытие. Оказывается, в океане, на определенных глубинах, проходит подводный звуковой канал, по которому звук может распространяться на огромные расстояния. Предположим, судно терпит аварию. Необходима помощь. И вот, чтобы сигнализировать об этом, сбрасывают в океан небольшую бомбочку, которая автоматически взрывается, достигнув «подводного канала». На побережье в нескольких местах расположены наблюдательные пункты, поддерживающие между собой радиосвязь. От каждого наблюдательного пункта идет линия к приемнику ультразвука, погруженному в воду. В момент, когда приемник уловил аварийный сигнал, автоматически засекается время. На разных наблюдательных пунктах оно, естественно, будет несколько различным — ведь пункты находятся не на одинаковом расстоянии от места аварии. Сопоставив по радио моменты приема аварийного сигнала на каждом из пунктов, очень точно определяют координаты корабля, терпящего бедствие, и направляют к месту кораблекрушения спасательные суда и самолеты.
В будущем подводная сигнализация, бесспорно, получит большое распространение.
А вот как применяется ультразвук в промышленности. В 1928 году советский ученый С. Я. Соколов изобрел ультразвуковой дефектоскоп — прибор для обнаружения трещин и раковин в металлических изделиях и твердых пластмассах.
Принцип действия такого прибора прост. Узкий пучок ультразвука проходит сквозь исследуемое изделие. Если в толще
изделия скрыта трещина или раковина, то звук частично отражается и идет обратно, где улавливается приемником. Приёмник соединен со специальным радиоэлектронным прибором — осциллографом, на экране которого, напоминающем экран телевизора, появляется светящаяся кривая — осциллограмма. По ее виду судят о характере дефекта.
Мощные ультразвуки обладают способностью дробить твердые тела. На этом основаны ультразвуковые буры и сверла. С их помощью можно быстро проделывать отверстия любой конфигурации даже в телах, обладающих очень большой твердостью, например, в кварце, что не удается сделать никаким иным способом.
Этой особенностью ультразвука воспользовались... зубные врачи. Сколько мучений причиняет бормашина человечеству! А что если вместо нее использовать ультразвуковой бур? Блестящая мысль! Первые же опыты показали, что он обрабатывает дупло и быстрее, и деликатнее. Видно, бормашине суждено скоро отойти в область преданий.
Многие знают, как трудно паять алюминий. На его поверхности имеется плотная пленка окиси, препятствующая пайке. Был создан ультразвуковой паяльник. Его стержень колеблется с достаточно высокой частотой и сдирает пленку, так что припой ложится на чистый металл.
В ультразвуковом паяльнике пьезоэлектрической пластинки нет. Там колебания возникают за счет другого — магнитострикционного — эффекта. Если вокруг стального стержня намотать изолированную проволоку и подключить ее концы к электрическому генератору, то стержень, периодически намагничиваясь и размагничиваясь, начнет колебаться — поочередно удлиняться и укорачиваться. Это и есть магнитострикция.
Ультразвуковые устройства очень распространены в химической промышленности. Ультразвук ускоряет многие химические превращения, разлагает некоторые сложные вещества. С его помощью получают однородные смеси жидкостей, которые обычно не смешиваются и не растворяются друг в друге. Налейте в стакан ртуть и воду. Тяжелая ртуть сразу окажется на дне. Как бы вы ни пытались размешать или взболтать жидкость, капельки ртути будут быстро опускаться на дно и собираться вместе. Но пропустите через жидкость мощный ультразвук — вода и ртуть смешаются в однородную, серого цвета массу. Такое подобие раствора называют эмульсией. Благодаря ультразвуковым колебаниям удается получать эмульсин различных масел, парафина и других веществ.
Вот, например, майонез — распространенная приправа к самым разнообразным кушаньям. Он изготовлен с помощью ультразвука. То же можно сказать и о маргарине. А фотолю
бителям будет небезынтересно узнать, что в приготовлении фотоэмульсии также участвует ультразвук. Он позволяет получать «мелкое зерно» на изображении, так как измельчает и тщательно перемешивает частицы эмульсии.
Таковы некоторые современные применения ультразвука. А что можно сказать о его будущем? Перспективы исключительно богаты и многообразны. Ведь создан даже ультразвуковой микроскоп, позволяющий рассматривать микроскопические предметы, скрытые в толще непрозрачных тел. Мало ли подобных «чудес» принесет будущее!
Кое-что можно предугадать и теперь.
Ученые полагают, что при помощи ультразвука удастся очищать воздух от дыма, рассеивать туманы. Дым и туман — скопления мельчайших частиц сажи или воды, висящих в воздухе. Если через пространство, наполненное туманом, пропустить достаточно мощную ультразвуковую волну, то капельки воды начнут метаться из стороны в сторону. При этом они должны неизбежно сталкиваться, сливаться друг с другом и оседать на землю.
Установив ультразвуковые устройства в заводских трубах, можно будет очистить воздух в городах и рабочих поселках от дыма и копоти, еще более оздоровить быт трудящихся.
Пройдет несколько лет, и в наших домах появятся ультразвуковые машины для стирки белья. Вибрационный стиральный прибор, в котором колебания происходят с низкой звуковой частотой, уже освоен промышленностью. Применив неслышимые звуки, мы значительно повысим эффективность этого прибора.
Большую помощь окажет ультразвук слепым. Портативные звуковые локаторы в какой-то мере смогут заменить глаза. Ведь летучая мышь — «живой эхолот» — прекрасно обходится без зрения: она ориентируется в пространстве, испуская короткие ультразвуковые импульсы и улавливая их эхо. Модели звуковых локаторов уже имеются. Одна из них «видит» даже тонкую бечевку, натянутую в нескольких метрах. Возможности для усовершенствования «ультразвукового глаза» в сочетании с «электрическим глазом» — фотоэлементом и быстродействующей электронной машиной почти безграничны.
ЗАКОНСЕРВИРОВАННЫЙ ЗВУК
«Говорит Москва. Передаем русские народные песни в исполнении Федора Ивановича Шаляпина...»
И вот машина времени уносит нас на десятки лет назад. Мы слышим раскаты бархатного шаляпинского баса, давным-давно прозвучавшие неповторимые звуки.
Но отчего же неповторимые? Ведь мы слышим их вновь и вновь. Хотя уже много лет, как не стало великого певца, а его песня, широкая, раздольная русская песня, живет, бунтует, наполняет сердца волнением и гордостью.
Пройдет еще не одно столетие, а наши потомки по-прежнему будут наслаждаться этими чудесными звуками, над которыми не властно время.
До нас дошли изумительные скульптуры, изваянные за тысячи лет до нашей эры, великолепные произведения Рафаэля, Тициана, Рублева. Эти шедевры искусства пережили века. А где же вы, звуки волшебной скрипки Паганини? Разве не заслуживали вы бессмертия?
Увы! Они исчезли бесследно. Только в конце прошлого столетия люди научились «консервировать» звуки. В феврале 1878 года знаменитый американский изобретатель Эдисон взял
патент на фонограф (от греческих слов «фоне» — звук и «гра-фо» — пишу). Что же представлял собой этот аппарат, впервые позволивший поймать зыбкий, мгновенно тающий звук, превратить его в самую обыкновенную вещь, которую можно взять в руки?
Фонограф представлял собой... Впрочем, пусть лучше расскажет о нем современник Эдисона, редактор американского журнала «Сайентифик Америкэн»:
«Я только что явился в контору, когда мне доложили о приходе мистера Эдисона... Войдя в мой кабинет, он поставил передо мной сверток, который до того времени бережно держал в руках. В то время как он снимал упаковку, я спросил, что это такое. «Сейчас увидите»,— отвечал Эдисон. С этими словами он придвинул ко мне странный аппарат. При виде длинного цилиндра, снабженного на одном конце тяжелым колесом и небольшой ручкой на другом, я, естественно, взялся за ручку и повернул ее. Каково же было мое удивление, когда из трубки прибора, напоминающей телефонную, явственно послышались слова: «Здравствуйте! Скажите, что вы думаете о фонографе?» Если бы я сказал, что был изумлен, это совершенно не соответствовало бы испытанному мйою тогда чувству...» Неудивительно, что многим людям того времени фонограф казался либо «чертовщиной», либо ловким жульничеством. Во время демонстрации фонографа на заседании Парижской академии наук один из академиков заявил, что не желает присутствовать при сеансах чревовещателя.
А между тем ничего сверхъестественного в работе фонографа не было. Вот что рассказывает о своем изобретении сам Эдисон:
«Я был занят прибором, который автоматически передавал азбуку Морзе... причем лента с оттисками букв проходила через валик... Пуская в ход этот прибор, я заметил, что при быстром вращении валика, по которому проходила лента с оттисками, слышался жужжащий ритмический звук... Я пристроил к аппарату диафрагму с особым приспособлением, которое могло бы воспринимать звуковые волны моего голоса и выдавливало бы их на каком-нибудь мягком материале, укрепленном на валике. Я остановился на пропитанной парафином бумаге и получил прекрасные результаты. При быстром вращении валика оттиснутые на нем знаки... повторяли вибрации моего голоса, и через особый передающий прибор с другой диафрагмой явственно различались слова, как будто говорила сама машина...»
Вскоре на смену фонографу пришел граммофон. По сути дела граммофон — тот же фонограф, только валик заменен здесь плоским диском — граммофонной пластинкой.
Вот она перед вамп — обыкновенная грампластинка, какие найдутся в любом доме. Взгляните на ее извилистую бороздку. Извилины этой бороздки напоминают застывшие гребни морских волн. Игла граммофона, следуя по извилинам, вибрирует, трясется, как телега на ухабистой дороге. Там, где они расположены ближе друг к другу, частота колебаний выше, а там, где реже, игла колеблется с меньшей частотой.
Колебания граммофонной иглы передаются упругой мембране — тонкой, туго натянутой металлической пластинке, а от нее, через рупор — окружающему воздуху.
Как же звук записывается на пластинку?
Представьте плоский диск из твердого воска. Диск этот может вращаться подобно граммофонной пластинке. Вдоль радиуса диска равномерно перемещается особый резец, оставляя на диске гладкую бороздку. Поскольку диск не стоит на месте, а вращается, бороздка имеет вид спирали.
Представьте еще, что резец, как игла граммофона, прикреплен к мембране. Мембрана, в свою очередь, соединена с рупором, улавливающим звуки. Если крикнуть в рупор, мембрана задрожит, и резец тоже начнет колебаться. Спиральная бороздка на диске*покроется рябью извилин. Звук «пойман»!
Далее воск в специальных ваннах покрывают слоем металла. Получается форма. Ею затем и штампуют тс грампластинки, которые все вы много раз видели.
Стало быть, записать звук можно и без радиоэлектроники. Но такая запись полна искажений.
Даже современный патефон имеет много недостатков. Он воспроизводит музыку и речь с заметными искажениями, из рупора слышится неприятное шипение. Громкость воспроизведения недостаточно велика, регулировать ее в соответствии с желанием слушателя невозможно. Вдобавок пластинка быстро изнашивается.
Гораздо лучшие результаты получаются при электрической записи и воспроизведении граммофонных пластинок. Резец современного звукозаписывающего аппарата соединяется с электромагнитным рекордером, действующим подобно телефонному наушнику или громкоговорителю. Рекордер включается на выход усилителя. На вход усилителя подаются колебания, которые нужно записать. Усиление и тембр регулируются так, чтобы звук при воспроизведении получался естественным, а искажения были бы незаметны.
В «радиограммофоне» колебания иглы при ее движении по бороздке грампластинки передаются адаптеру, или звукоснимателю, преобразующему их в электрические колебания. Затем происходит усиление этих колебаний и преобразование их в звук с помощью громкоговорителя.
Наиболее распространены звукосниматели, действие которых основано на пьезоэлектрическом эффекте. В них механические колебания иглы передаются пьезоэлектрической пластинке и превращаются ею в переменный электрический ток.
Следовательно, и здесь пьсзопластинка выступает в обычной для нее роли преобразователя энергии.
Запись на граммофонную пластинку — не единственный и далеко не лучший вид звукозаписи. В кино, например, звук записывается в виде зазубренной дорожки на краю киноленты. Сквозь эти зазубрины пробивается узкий пучок света, падающий на фотоэлемент, который включен во входную цепь радиоусилителя. В зависимости от характера зазубрин освещенность фотоэлемента изменяется, стало быть, меняется сила электрического тока. На входе усилителя возникают электрические колебания, и в громкоговорителе
УВЕКОВЕЧЕНИЕ ЗВУКА. 1 — пьезоэффект; 2 — собранный звукосниматель с пьезопластпн-ной; 3 — звукозапись с помощью рекордера, 4 —- 5 — воспроизведение звука.
слышится звук.
Но самый замечательный звукозаписывающий аппарат — магнитофон.
Тонкая пленка шириной в несколько миллиметров покрыта с одной стороны ровным слоем коричневого вещества. Это лак,' содержащий частички ржавчины — окиси железа. Но обыкновенная ржавчина, оказывается, обладает необыкновенными свойствами — она способна говорить!
Возьмите стальной брусок и приложите его к магниту. Теперь уберите магнит. Брусок успел намагнититься — сам стал магнитом, приобрел способность притягивать железные пред
меты. Такое явление называется остаточным намагничиванием.
В магнитофоне используется специальный электромагнит — катушка из провода, намотанного вокруг сердечника из мягкого железа. Притягивающая сила такого электромагнита зависит от величины тока в его обмотке. Электромагнит подключается на выход усилителя вместо наушников. Вы говорите в микрофон, а притягивающая сила электромагнита то возрастает, то падает — в такт звуку.
Начнем перематывать пленку, покрытую ржавчиной, с одной катушки на другую так, чтобы лента проходила вблизи нашего электромагнита. Пленка будет все время намагничиваться,— то сильнее, то слабее в зависимости от силы звука.
Быстро перемотаем намагниченную пленку обратно на первую катушку. Теперь повторим все с начала, но электромагнит переключим на вход усилителя, а к выходу присоединим наушники или громкоговоритель. Мы услышим звуки, только что произнесенные перед микрофоном.
Дело в том, что магнитное поле вокруг движущейся пленки все время меняется, так как в разных местах пленка намагничена неодинаково.
Это изменяющееся поле воздействует на электромагнит и по закону электромагнитной индукции «наводит» в его обмотке ток, который после усиления и приводит в действие громкоговоритель.
По такому принципу работает миниатюрный «ьа-вод», консервирующий звук. Чтобы магнитофон работал хорошо, пленка должна перематываться с катушки на катушку строго равномерно, с постоянной скоростью. Электромагнит (его называют магнитной головкой) обычно делается в виде кольца с поперечной щелью шириной менее сотой доли миллиметра. Щель концентрирует магнитное поле. Ведь для того, чтобы перо хорошо писало, его нужно заострить. Магнитная головка играет роль такого остро отточенного пера.
ЭЛЕКТРОМАГНИТ ЗАПИСЫВАЕТ ЗВУК. Перед нами схема магнитофона. С катушки на катушку перематывается тонкая пленка, покрытая слоем ржавчины. Пленка проходит мимо электромагнитов 3, 4 и 5. Это так называемые стирающая, записывающая п воспроизводящая головки. Стирающая головка 3 подключена к генератору переменного тока высокой частоты 1. Электромагнитные колебания, циркулирующие 5 головке, стирают старую, ненужную запись. Чистая пленка движется дальше к записывающей головке 4, которая соединена с выходом лампового усилителя 2. К этой головке передаются от усилителя колебания звуковой частоты. Они намагничивают пленку то сильнее, то слабее — в такт звука. Если теперь включить усилитель 6, вход которого соединен с воспроизводящей головкой 5, в громкоговорителе будет слышно то, что мы записали на пленке.
Магнитофон обладает многими замечательными достоинствами. Записанную пленку можно проигрывать тысячи раз — качество звучания не ухудшится. Но вот запись нам надоела. Что же, выбросить ее? Вовсе нет. Записанное легко стереть — для этого нужно пропустить через головку электрический ток ультразвуковой частоты. Он размагнитит пленку, и на ней снова можно записывать все, что угодно.
Но вот пленка оборвалась. Пострадает ли запись? Нет! Пленку нетрудно склеить, и вы даже не заметите на слух, что был разрыв. А треснувшая грампластинка издает неприятный щелчок всякий раз, когда игла проходит через трещину.
Магнитофон все более становится неотъемлемой частью нашей жизни. Передачи по радио очень часто даются в записи на магнитную пленку. Мы слышим выступление знаменитого артиста, думаем, что он сейчас перед микрофоном радиостудии, а исполнитель тем временем сидит возле радиоприемника и слушает собственный голос.
Десятки тысяч картонных папок с катушками магнитной пленки хранятся в фонотеке Всесоюзного радио — в сокровищнице звуков. Звуки надежно «законсервированы», и спустя много лет наши потомки смогут услышать голос двадцатого века, голос людей, строивших для них счастливое будущее.
РАДИОМУЗЫКА
Разговор будет не о музыке, передаваемой по радио, а об инструментах, в которых вместо струн — электронные лампы и колебательные контуры.
Всякий музыкальный звук характеризуется высотой, громкостью, тембром.
Мы знаем, что высота звука это выражение частоты звуковых колебаний, громкость зависит от их размаха, амплитуды. А вот тембр... Знаете ли вы, что это такое?
Тембр — своеобразная окраска звучания. Каждый музыкальный инструмент звучит по-своему, обладает собственным, неповторимым тембром. Одна и та же нота на разных инструментах получается как-то неодинаково. В чем тут дело?
Оказывается, любой музыкальный звук представляет собой целую «семью» звуков. Помимо «главы» этого «семейства» — основного, наиболее громкого тона, имеется еще масса гармоник — «подголосков». Высота каждой гармоники в то или иное число раз больше высоты основного тона.
В разных инструментах гармоники распределены по-разному. В одних они громче, в других — тише. Гармоник может быть больше пли меньше. Иногда к этому стройному «хору»
присоединяется стук клавишей или скрип смычка. Скрипач тратит годы, прежде чем научится извлекать приятные звуки из своего капризного инструмента.
Скрипка вообще загадочный инструмент. Его нельзя рассчитать, как рассчитывают машины или приборы. Даже сам скрипичный мастер заранее не знает, что у него получится. Знаменитые мастера, такие, как Страдивариус или Гварнери, уносили свои секреты в могилу.
Хорошие скрийки уникальны.
То же можно было бы сказать о многих других музыкальных инструментах. Получается Парадокс: с одйой стороны, высокая музыкальная культура современного общества, с другой — кустарные методы изготовления музыкальных инструментов, работа вслепую, труд, лучшими образцами Которого служат творения чуть ли не средневековых мастеров!
Этот парадокс заинтересовал радиоинженеров. Онй Попытались сравнить возможности обычных, механических источников звука, в том числе и музыкальных инструментов, с возможностями электрических генераторов. II сравнение оказалось не в пользу первых. Электрические генераторы способны давать намного более чистый, устойчивый звук, чем музыкальные инструменты. С помощью электронных ламп и колебательных контуров можно получить любые созвучия. Управлять высотой и громкостью звука здесь значительно проще, Чем в обычных инструментах.
Прообраз радпомузыкального инструмента — громоздкий аппарат под названием телехроп — появился еще в конце прошлого века. В этом инструменте музыкальные тоны создавались машинными генераторами, такими, как на обычных электростанциях, только менее мощными и вырабатывающими токи различных звуковых частот, например, 1 000 колебаний в секунду, 2 500, 4 800 и др. Для каждой ноты имелся свой комплект генераторов. Все генераторы, дающие какую-либо одну ноту, имели общую ось и включались одновременно. Но один из них «вырабатывал» основной тон, второй —> гармонику, скажем, вдвое большей высоты, третий — еще более высокую и т. д.
Громкостью звучания управляли с помощью множества электромагнитных реле и регулируемых электрических сопротивлений — реостатов. II хотя телехрон был весьма несовершенен, музыкантов изумляла легкость игры на Этом инструменте, чистота его тона.
Конечно, сложный и чересчур громоздкий телехрон не получил распространения. Но когда появились электронные лампы и ламповые генераторы, стало возможным создать радио-музыкальные инструменты, не уступающие обычным не только
в красоте звучания и легкости управления, но и в конструктивных качествах. Возьмем, к примеру, такой инструмент, как орган. В нем звук одного и того же тона, но разной интенсивности создается различными трубами. Отдельная труба пе может звучать то громко, то тихо. Громкость же генератора легко изменяется в больших пределах. Поэтому каждый генератор может заменить значительное число труб. Изменяя настройку его колёбательного контура, легко получать звуки разной высоты. Вот почему электронный орган приобретает сейчас все большее распространение. В одном из таких инструментов около девяноста генераторов обеспечивают как основные, так и гармонические тоны большинства музыкальных нот.
Помимо электронного органа, создано много других радио-музыкальных инструментов — контрабас, кларнет и др. Некоторые из них уже используются в оркестрах, например, в Бостонском симфоническом оркестре.
Существуют р адиому зыка льные инструменты, способные подражать голосу своих собратьев. С помощью такого инструмента нетрудно воспроизвести тембр скрипки, виолончели, рояля. Здесь удается регулировать звучание каждой отдельной гармоники, что в простых инструментах сделать невозможно. Электроника позволяет синтезировать звук, складывать его из составных частей-гармоник, подбирать тембр, который соответствовал бы замыслам автора музыкального произведения.
В газете «Советская культура» от 19 июня 1958 года помещена заметка о электромузыкальном многотембровом инструменте «Экводин», созданном на московском радиозаводе инженером-конструктором А. Володиным. «Экводин» имеет гриф, клавиши для переключения тембров и другие регуляторы. Инструмент издает звуки, напоминающие звуки скрипки, рояля, гобоя, кларнета. Весь он умещается в двух чемоданах. «Экводин» — один из экспонатов Советского павильона на Всемирной выставке в Брюсселе.
Можно представить также инструмент, способный заменить собой целый оркестр. Один музыкант будет играть на нем оркестровые произведения.
Не является фантастическим и такое предположение. В запоминающее устройство электронной машины вкладывают специально обработанные ноты музыкального произведения, и вы слышите изумительно чистое и богатое оттенками звучание... Здесь уже невозможны промахи и шероховатости. Указания композитора на партитуре или клавире будут выполнены с математической точностью. Большего от машины, конечно, требовать нельзя.
ПОЙМАННЫЕ ВИБРАЦИИ
Почти любое движение сопровождается вибрациями. Вибрируют движущиеся части и основания станков, крылья самолетов, вращающиеся роторы электродвигателей, паровых турбин и гидрогенераторов, дрожат мосты, когда по ним проходят поезда, колышутся на ветру ветви деревьев.
Вибрации возникают под действием сил, направление которых почему-либо меняется. Такие нагрузки, называемые знакопеременными, представляют грозную опасность для механизмов и сооружений. Известны случаи, когда в результате знакопеременных нагрузок разрушались массивные стальные валы, лопатки турбин, разваливались на части самолеты.
Особенно опасны явления резонанса, того самого резонанса, который служит основой современной радиотехники. Так, не особенно сильная вибрация грунта, вызываемая работой бензинового движка, благодаря резонансу перерастает в настоящее землетрясение, способное раскачать многоэтажное здание; строевой шаг взвода солдат может разрушить мост.
Частота вибраций лежит в широких пределах — практически от десятой доли до сотен и даже тысяч колебаний в секунду. Амплитуда (размах) вибраций также бывает разной, причем она может то возрастать, то уменьшаться.
Мы способны почувствовать вибрацию, наконец, увидеть ее, если она достаточно велика. Но наблюдать картину колебаний, рассмотреть, как именно вибрирует тело, не так-то просто.
Можно, например, прикрепить к поверхности вибрирующего предмета пишущее перо. Если теперь перематывать с рдного барабана на другой бумажную ленту так, чтобы перо касалось бумаги, па ленте сама собой будет рисоваться картина вибрации.
Однако амплитуда иногда бывает настолько мала, что перо оставит на центе прямую линию. Кроме того, барабан с лентой не на каждой машине пристроишь.
В этцх случаях незаменимую помощь оказывает радиоэлектроника. Она позволяет получить точную фотографию исследуемых вибраций, независимо от их частоты и амплитуды.
Невидимую простым глазом картину вибраций воспроизведет так называемый датчик—крошечный приборчик, для которого найдется место в любом механизме. Датчик преобразовывает механические вибрации в электрические колебания. А уж их совсем нетрудно передать по проводам па любое расстояние, усилить сколь угодно, и, наконец, увидеть на экране электронно-лучевой трубки.
Существует много различных датчиков. В качестве датчика можно применить, например, конденсатор. Во время вибрации расстояние между пластинами конденсатора меняется. Изменяется, стало быть, и его емкость. Включим такой конденсатор в колебательный контур генератора, и при вибрациях частота генерируемых колебаний будет скакать. А если теперь настроить на частоту этого генератора приемник, то напряжение на его выходе станет меняться в соответствии с вибрациями.
Еще лучший датчик — пьезоэлектрическая пластинка. Вспомните звукосниматель радиограммофона. Граммофонная игла, следуя по бороздке пластмассовой пластинки, все время вибрирует. Вибрации иглы передаются пьезоэлектрической пластинке, превращающей их в колебания электрического тока. С помощью пьезопластищш можно «поймать» и любую другую вибрацию. А дальше путь ясен: обыкновенный усилитель/ электронно-лучевой осциллограф — и вот перед нами зазубренная светящаяся кривая. Это и есть пойманная вибрация.
Взглянув на экран осциллографа, конструктор сразу видит, опасны ли вибрации, на какой частоте машина дает резонанс, что нужно в ней переделать.
Радиоэлектронные датчики применяются также для измерения давлений и ускорений.
Необходимость в измерении давлений возникает очень часто. Машинист паровоза должен знать, каково давление пара в котле. Если оно слишком мало — поезд остановится, если слишком велико — может взорваться котел. Метеоролог, не зная атмосферного давления, не составит прогноз погоды. Врачу для определения болезни нередко требуется определить давление крови в кровеносных сосудах больного.
Измеряют давление с помощью манометров. Но обычные жидкостные и механические манометры не всегда пригодны. Жидкостным манометром измеряется лишь сравнительно небольшое давление. Кроме того, па быстрые изменения давления он не успевает реагировать.
Механический манометр тоже недостаточно совершенен, Его чувствительность низка, поэтому им нельзя обнаружить слабых давлений, Непригоден он и при определении очень больших давлений, например, в цилиндре двигателя.
Всех этих недостатков лишен пьезоэлектрический манометр. Им можно измерять и мизерные, и гигантские давления, регистрировать изменения, происходящие в кратчайшие мгновения.
Кварцевая пластинка очень прочна, она выдерживает колоссальные нагрузки. Величина электрического заряда на ее электродах строго зависит от давления: чем оно выше, тем больше и заряд. Благодаря высокой упругости кварца пластинка под давлением сжимается незначительно. Именно поэтому манометр мгновенно отзывается на малейшее изменение давления. Наконец самый незначительный заряд на электродах пластинки может быть усилен в нужное число раз.
Благодаря этпм преимуществам пьезоманометры применяются во многих отраслях народного хозяйства. На железнодорожном транспорте с их помощью исследуют давление, которое оказывает на рельсы проходящий поезд. В станкостроении определяют усилия, возникающие при работе станков. Пьезоэлектрические манометры помогают ученым изучать процессы, происходящие в стволах орудий в момент выстрела, или в цилиндрах двигателей.
А вот как действуют радиоэлектронные акселерографы — приборы для измерения ускорений.
Между массой тела, его ускорением (приростом скорости за одну секунду) или замедлением (потерей скорости за одну секунду) и силой инерции существует прямая зависимость. Чем больше масса тела и его ускорение (или замедление), тем больше эта сила. Такой закон механики иногда формулируют следующим образом: сила равна произведению массы на ускорение.
Вот с высоты отвесно пикирует самолет. У самой земли
летчик берет штурвал на себя, машина резко теряет скорость, переходит в горизонтальный полет. В этот момент детали самолета и организм летчика подвергаются громадной нагрузке, которая вызвана инерцией. Инерционную нагрузку легко рассчитать, зная ускорение. Чтобы исключить возможность гибели человека и разрушения машины, нужно знать величину допустимого ускорения. Ее устанавливают во время испытательных полетов. Для этой цели и служат акселерографы.
Пьезоэлектрический акселерограф — это та же кварцевая пластинка, на поверхность которой посредством пружинного устройства давит груз. Масса этого груза заранее известна. Акселерограф устанавливается на самолете.
Когда самолет резко снижается, на груз акселерографа, как и на все, находящееся в машине, давит инерционная сила. Давление передается пьезоэлектрической пластинке. Остальное нам уже известно. Чем больше ускорение (или замедление), тем сильнее давит груз на пластинку. Значит, по величине давления легко судить об ускорении. Радиоэлектронные манометры и акселерографы приобрели добрую славу в машиностроении и на транспорте.
РАДИО ПЕЧАТАЕТ КНИГИ
— Тут уж автор явно потерял чувство меры,— подумает иной читатель, взглянув на заголовок.— Разве имеет отношение одно к другому?
Оказывается, имеет. В типографиях будущего мы не встретим ни громоздких полиграфических машин, ни наборных касс, ни травильных и фоторепродукционных устройств. Их заменит новейшая радиоэлектронная аппаратура, позволяющая обойтись без традиционных печатных форм, берущих начало со времен первопечатника Ивана Федорова.
Трудно поверить, что книгу в 1500 страниц можно напечатать всего лишь за одну минуту! Но именно с такой скоростью — 25 оттисков в секунду — будут работать радиоэлектронные печатные машины. Современные же ротационные аппараты дают один оттиск за две секунды. По какому же принципу действует радиоэлектронная печатная машина?
Представьте себе особый телевизор, в котором роль экрана играет лист бумаги. Конечно, в этом случае изображения мы не увидим, но оно будет существовать в скрытом виде. Ведь электронный луч, двигаясь по бумаге, оставляет на ней электрический заряд. Величина заряда, как и яркость обыкновенного
телевизионного экрана, в разных местах неодинакова. Стало быть, на бумаге появляется невидимое электрическое изображение. Его нужно проявить.
Мы знаем, что электрически заряженные тела притягивают мелкие частички, пушинки, пыль. Чем больше заряд, тем сильнее это притяжение. Распылим в воздухе типографскую краску. Частицы краски осядут на заряженные участки бумаги, и на ней возникнет отчетливое изображение, как если бы оно было отпечатано обычным способом.
В типографском «телевизоре» луч движется только по горизонтали — взад и вперед. Вертикальное движение луча отсутствует. Зато в этом направлении перемещается сама бумага. Перед трубкой проходит бумажная лента. Скорость ее движения очень велика — 8 метров в секунду! Электронный луч рисует на ленте невидимое изображение, которое затем проявляется. Скорость такой печати равна скорости, с какой следуют друг за другом кадры при обычной телевизионной передаче — 25 кадров в секунду!
Таким методом можно печатать и текст, и иллюстрации, причем последние нетрудно делать трехцветными.
Телевизионная аппаратура для быстродействующих печатных устройств уже разрабатывается кафедрой физической химии Московского полиграфического института в содружестве с кафедрой телевидения Ленинградского электротехнического института связи имени М. А. Бонч-Бруевича.
Существуют и другие методы радиоэлектронной печати. Изображение может фиксироваться не только электрическим, но и магнитным полем. Многим известен школьный опыт: на листок бумаги, помещенный между полюсами магнита, насыпают мелкие железные опилки. Частички железа располагаются не как попало, а вдоль так называемых силовых линий, соединяюхцих полюсы. На бумаге возникает целый сноп таких линий. Если вместо опилок взять распыленную магнитную краску, то линии окажутся напечатанными, словно на типографской машине.
По такому принципу можно создать радиоэлектронное устройство, наносящее на бумагу «магнитные» буквы или изображения.
Как видите, радио не довольствуется ролью газеты без бумаги. Печатание самых обыкновенных, бумажных газет, книг и журналов — это в будущем тоже станет делом радиоэлектроники. И уже близок день, когда мы сможем развернуть газету, которую напечатало радио.
РАДИОПРИЕМНИК! ОТПЕЧАТАННЫЙ В ТИПОГРАФИИ
Полированный деревянный ящик, внутри — металлическая коробка, или шасси, на ней множество различных радиодеталей — трансформаторов, конденсаторов, колебательных контуров, покрытых алюминиевой броней, между ними — путаница проводов, красных, желтых, голубых, и каждый проводник скреплен с деталью капелькой олова...
Десятки рук, вооруженных паяльниками, выполняли кропотливую, требующую большой аккуратности и терпения работу — монтаж радиоприемника.
Подумайте только: радиоэлектронное устройство, эта основа современной автоматики, монтируется вручную, чуть ли не кустарным способом! Разве можно с этим мириться?
Нет, инженеры вовсе не примирились с необходимостью собирать радиоприемники вручную.
Долой паутину проводов! Пора отказаться от хрупких, пожирающих львиную долю труда паек! Но одно дело слова, а другое — практическое решение. Как избавиться от «пережитков прошлого»? Какую замену найти для устаревшего, неудобного способа монтировать приемники?
Тут-то и возникла мысль печатать радиоприемники типографским способом. Никаких паек, никаких проводников. Их заменит краска. Только не обычная, а содержащая в себе мельчайшие частички металла.
Так родились «печатные схемы».
Перед нами плоская пластина из картона, пропитанного особыми смолами и ставшего благодаря этому хорошим изолятором. Кладем ее в печатную машину — и вот на пластине отпечатывается весь монтаж будущего радиоприемника. Теперь нужно закрепить отпечаток. Для этой цели служит гальваническая ванна. Опускаем пластину в электролит — раствор металлической соли. Метнулись вправо стрелки электроизмерительных приборов — через электролит начал тедь ток. Полчища ионов устремились к затейливому токопроводящему узору, отпечатанному на пластине. Буквально на глазах контуры печатного монтажа стали обрастать металлом.
Монтаж готов. Остается укрепить детали, для которых в пластине предусмотрительно приготовлены отверстия, затянуть контакты, вставить радиолампы, и приемник собран.
Печатные схемы — пока еще новинка радиопромышленности. На практике совсем не так легко втиснуть трехмерный, пространственный монтаж в плоскую пластину. Вот почему большинство радиоприемников делается еще по старинке. Но есть уже и образцы печатных приемников. Их отличие — компактность и внешняя простота, за которой скрывается результат долгих и упорных поисков, блестящая победа конструкторской мысли, овеществленное стремление к новому.
Один из таких приемников и назван символически: «Новь». Этот приемник уже освоен или, как говорят производственники, запущен в серию. А в лабораториях разрабатываются новые, еще более компактные и совершенные печатные схемы.
Типографская машина становится принадлежностью радиозавода. Конечно, это не совсем та машина, которая печатает книги, но, во всяком случае, ее ближайшая родственница. Полиграфия и радиопромышленность установили тесный контакт.
ПЕЧЬ „ЧУДО"
Речь будет идти но о том «чуде», в котором домашние хозяйки пекут пироги. Имеется в виду совсем другая печь, гораздо более заслуживающая названия «чудо». С ее помощью, например, ничего не стоит совершить такой фокус: кусок сырого мяса, вмерзшего в глыбу льда, сваритц, не растопив лед.
Каким образом — вы скоро узнаете. Но прежде побеседуем о более важном — о том, как радиопечи применяются в промышленности и народном хозяйстве.
Еще в древности было замечено, что кусок стали при нагреве до высокой температуры и последующем быстром охлаждении становится более твердым. Такой процесс назвали закалкой.
Для повышения прочности стальной детали особенно важно, чтобы поверхностные слои сделались очень твердыми, а сердцевина осталась без изменений. Если же закалить металл насквозь, то он станет хрупким, будет легко ломаться. В обычных печах нагрев происходит сравнительно медленно, и металл успевает прогреться вглубь. Советский ученый В. П. Вологдин предложил нагревать металл перед закалкой токами высокой частоты. Такой нагрев имеет свои особенности.
ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЗАКАЛКА. Превосходная мысль! Сейчас мы получим «вечное перо»!
В катушке колебательного контура циркулирует мощное магнитное поле высокой частоты. Мы поместили внутрь катушки металлический предмет. Благодаря электромагнитной ин-дукпии в нем возникают вихревые токи. Поверхностный слой мгновенно раскалился. Теперь самое время опустить перо в холодную воду. Снаружи оно сделается твердым, износоустойчивым, а толща останется по-прежнему вязкой. Таков эффект эакалки токами высокой частоты!
Когда по проводу идет постоянный ток, электроны движутся с одинаковой скоростью, равномерно заполняя все поперечное сечение проводника, когда переменный — электроны движутся то быстрее, то медленнее, то в одну сторону, то в другую. Электрические поля, создаваемые такими электронами, непрерывно изменяются. А мы знаем, что по закону электромагнитной индукции всякое изменение электрического поля влечет за собой соответствующее изменение поля магнитного. И оказывается, что изменение магнитного поля одного электрона мешает двигаться другому электрону, тормозит его. Чем выше частота переменного тока, тем более резко меняются магнитные поля и тем «теснее» становится электронам. Сопротивление провода как бы возрастает. Больше всего это сопротивление в центре проводника, где каждый электрон окружен другими электронами. На поверхности провода электроны находятся в более выгодном положении — они окружены не со всех сторон. Поэтому поверхностный слой проводника оказывает току высокой частоты менынее сопротивление. Неудивительно, что высокочастотный ток предпочитает течь по поверхности провода.
В Московском политехническом музее показывают эффектный опыт, основанный на этом явлении. Экскурсовод берется рукой за цоколь осветительной лампочки, а вторым ее контактом дотрагивается до катушки мощного лампового генератора. Лампочка ярко загорается. По телу экскурсовода течет довольно сильный ток, а человек цел и невредим. Между тем гораздо более слабый постоянный ток или ток низкой частоты, текущий в осветительной сети, оказывается смертелен.
Все дело в том же «поверхностном эффекте». Высокочастотный ток протекает по коже человека и не оказывает действия на внутренние органы (конечно, в небольшой дозе, как при нашем опыте). Постоянный же ток или переменный ток низкой
частоты проникает в глуоь человеческого тела и наносит тяжелые травмы.
Для высокочастотного нагрева стальных изделий нужен очень мощный генератор, такой, как в радиовещательной станции. В катушке колебательного контура нашего генератора циркулирует мощное магнитное поле высокой частоты. Внесем в катушку кусок стали. Благодаря электромагнитной индукции в нем возникнут вихревые токи. Они будут течь по поверхности. Поверхностные слои металла мгновенно раскалятся, а сердцевина в первый момент останется холодной. Если теперь быстро охладить кусок стали, то его поверхность закалится, сделается твердой, износоустойчивой, а толща металла будет по-прежнему вязкой.
Регулируя частоту колебаний генератора, можно изменять режим закалки, се глубину. Ясно, что с понижением частоты глубина закалки увеличивается.
Закалка токами высокой частоты в наши дни завоевала всеобщее признание и широко применяется на современных металлообрабатывающих заводах.
Высокочастотный нагрев используется и в деревообрабатывающей промышленности. Здесь с помощью токов высокой частоты осуществляют быструю сушку древесины.
Чтобы высушить деревянное изделие прежними способами, требовалось довольно много времени, так как при ускоренном и неравномерном нагреве древесина коробилась и трескалась. Благодаря радио этот сложный и длительный процесс упростился и сократился во много раз.
Высокочастотный нагрев дерева отличается от нагрева металлов. Во-первых, металл — проводник, а дерево — изолятор, хотя и неважный. Во-вторых, при закалке стали мы стремились разогреть только поверхность, а при сушке древесины необходим строго равномерный нагрев.
Вспомним, что в колебательном контуре нашего генератора, кроме катушки индуктивности, есть конденсатор. Между пластинами конденсатора действует мощное электрическое поле высокой частоты. Если внести в него кусок дерева, то энергия поля будет расходоваться. Дерево, как мы уже говорили, плохой изолятор. Оно все-таки проводит электрический ток, хотя и оказывает ому большое сопротивление. Энергия, запасенная конденсатором, расходуется на то, чтобы преодолеть это сопротивление, и выделяется в виде тепла.
Чем выше частота колебаний генератора, тем больше электрической энергии переходит в тепло и тем интенсивней нагрев. Поскольку потери энергии одинаковы по всей толще дерева и нагрев идет равномерно, древесина не трескается и не коробится.
Вот теперь мы можем вернуться к вопросу: как сварить мясо, не растопив лед, в который оно вмерзло.
Поместим глыбу льда между пластинами конденсатора. Лед — прекрасный изолятор. Потери энергии в нем очень малы. Кусок мяса в какой-то мере проводит ток. Естественно, что лед и мясо в электрическом поле высокой частоты поведут себя по-разному. Мясо начнет нагреваться, а лед — так льдом и останется. Кушанье будет готово настолько быстро, что тепло не успеет передаться льду, и тот не растает.
Цыпленок, сваренный в кастрюльке из льда... Типичное чудо. Находка для сказочника, блестящая идея для фокусника-иллюзиониста !
Однако шутки шутками, а повара приобрели поистине чудесного помощника «в лице» высокочастотной печи. В электрическом поле высокой частоты кушанья разогреваются мгновенно, не пересыхая и не теряя вкуса. Одна минута — и обед готов! Токи высокой частоты уже сейчас используются для приготовления компотов, сохраняющих вкус свежих фруктов.
А некоторые из вас, сами того не зная, отведали «высокочастотный» шоколад.
Раньше бобы какао — сырье для производства шоколада — сушились в специальных аппаратах. Сквозь поток падающих бобов продувался дым, нагретый до 160°С. Поверхность бобов при такой сушке обжаривалась, а сердцевина оставалась сырой. Кроме того, дым уносил с собой некоторые ароматические вещества, содержащиеся в бобах. Все это ухудшало вкус шоколада.
И вот в 1952 году доцент Московского технологического института А. Т. Птушкин предложил использовать для сушки и обжарки бобов какао токи высокой частоты. В Московском энергетическом институте была изготовлена опытная установка для сушки бобов по методу Птушкина. На ней обработали партию бобов какао весом в 2 тонны. Кондитерская фабрика «Красный Октябрь» изготовила из них отличный шоколад.
В 1958 году на «Красном Октябре» будет запущена мощная промышленная высокочастотная установка. Она обеспечит первосортным сырьем поточную линию, на которой производится шоколад.
КУРИЦА В ПОЛЕ ... ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ. В электрическом поле высокой частоты кушанья разогреваются мгновенно, не пересыхая и не теряя вкуса.
Так радио стало «штатным сотрудником» кондитерской фабрики.
Высокочастотный нагрев применяется также в медицине, для лечения некоторых заболеваний, и в биологии для уничтожения бактерий.
А не так давно он нашел новое «занятие». В одной из библиотек большое количество книг было поражено особым клещем, разрушающим бумагу. Книги спасли, уничтожив паразитов токами высокой частоты.
Итак, на этот раз — закалка стали, сушка древесины, спасение книг, приготовление компотов и прочих блюд... Да есть ли вообще на свете отрасль человеческой деятельности, которая не входила бы в «сферу влияния» радиоэлектроники? — спросит читатель.
Нс существует такой отрасли. Радиоэлектроника — всюду-
ЦЕЛЕБНЫЕ ВОЛНЫ
Много тысячелетий, не прекращаясь ни на час, идет великая битва за жизнь человека.
Люди одержали в ней немало побед над болезнями. Человечество навсегда запомнило имена прославленных героев — от Гиппократа и Авиценны до Пастера и Пирогова, возглавлявших в разные времена священную битву со смертью.
Она и сейчас в полном разгаре. Но позиции человека ныне значительно крепче. Армия врачей стала многочисленнее и сильнее. В ее арсенале — мощное современное вооружение, основанное на последних достижениях науки. На службе у медицины и многие новинки радиоэлектроники. Возникла даже новая отрасль медицины — радиотерапия. Она использует в качестве лечебных средств электромагнитные волны и токи.
Радиоволны, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, рентгеновское и радиоактивное излучение оказывают большое влияние на живые организмы. В зависимости от дозы оно может быть или губительным, или целебным.
Токи высокой и сверхвысокой частоты излечивают язвы и ожоги, воспаления легких и плевриты, способствуют расса-182
сыванию нагноений, убивают бактерии и мелких насекомых-па р а щи о в.
Многих больных направляют на прогревания- К различным участкам тела прикладывают электроды, соединенные с радир-генератором — источником электромагнитных колебаний. Эти колебания, проходя через живую ткаць, вызывают ее нагрев, так же как обычный переменный ток нагревает спиральку в электроплитке. Особенно хороший результат во многие случаях дают ультракороткие волны- В медицине они применяются уже свыше четверти века.
Токи более низкой частоты используются для лечения электросном. Еще в прошлом веке ученые заметили, что прерывистый ток оказывает на нервную систему животных своеобразное влияние. Под воздействием такого тока животные впадали в состояние оцепенения, переходившее в сон. В дальнейшем было найдено, что сильнее всего влияет ток в виде так называемых прямоугольных импульсов.
Обычный переменный ток, текущий в осветительной сети, нарастает и спадает плавно, по закону волнистой линии — синусоиды. Иначе ведет себя импульсный tqk. Его сила возрастает или спадает очень резко, почти мгновенно. Какую-jo долю секунды в цепи вообще нет тока. Затем он молниеносно появляется, некоторое время течет, снова исчезает. Получается нечто вроде телеграфных сигналов, только более быстрых: пауза—импульс, пауза—импульс... Если зарисовать на бумаге, как меняется сила такого тока с течением времени, то получится ломаная линия, состоящая из ряда Птобрдзцых выступов. Поэтому импульсы такого тока и называют прямоугольными.
Усовершенствованные источники цмцульсцого тока различной частоты были созданы сравнительно недавно, уже после того как появилась радиолампа. А в 1954 году удалось сконструировать первое надежное средство связи с царством крылатого мифического бога сна Морфея — промышленный образец прибора «элоктросон». Так творение рук человеческих вторглось в область, где, как свидетельствуют сказки, до сих пор владычествовали волшебные феи — уродливые и симпатцчт ные, злые и веселые. Из того же источника общеизвестно, чтр с приближением светд духи исчезают. Именно таким светом был яркий гений Ивана Петровича Павлова, осветивший темную область сна и сновидений. А электросоц явился одцим нз осуществлений идей великого физирцога.
Что же представляет собой аппарат, успещцо выдержавший конкуренцию с опытными мастерами сна — волшебными феями?
Это обычный радиоаппарат с большим числом ручек, электроизмерительным прибором и экраном вроде телевизионного,
только поменьше размером. От прибора идут провода, заканчивающиеся поясками-контактами. Поясок надевают на голову, вы чувствуете еле ощутимое покалывание. Проходит несколько минут, и незаметно наступает сон.
Механизм воздействия импульсного тока на мозг и нервную систему полностью не изучен. Считают, что импульсы действуют на окончания нервов в коже, воспринимаются ими и по нервам передаются коре головного мозга. Там возникает своего рода торможение, такое же, как и при нормальном сне.
Аппарат «электросон» позволяет отказаться от снотворных лекарств, приносящих вред организму. Хирурги применили электросон во время операций. В сочетании с местным обезболиванием он дал прекрасные результаты. В отличие от обычного наркоза электронаркоз совершенно безвреден. Он не ослабляет сердечную деятельность, не оставляет после себя тошноты и головокружений.
Подобные приборы применяются при лечении параличей, для искусственного дыхания и в ряде других случаев.
Многие из нас обращаются к радиоприборам, чтобы проверить деятельность своего сердца. Прибор снимает особые кривые — кардиограммы, по которым можно судить о работе сердца, определять характер сердечного заболевания.
Для диагностики и лечения опухолей современная медицина использует радиоактивные вещества (меченые атомы). В организм человека вместе с обычной пищей вводится немного радиоактивного иода, железа или иного химического элемента. Меченые атомы распределяются по внутренним органам, причем, как было установлено опытами, в пораженных местах накапливается их гораздо больше, чем в здоровых тканях.
Но как узнать, где скопились меченые атомы? Для этого служат специальные электронные приборы, регистрирующие радиоактивное излучение. Стрелка прибора фиксирует накопление меченых атомов.
И вот диагноз установлен: у больного злокачественная опухоль. Необходимо срочно начинать лечение. Раньше выход был только один — хирургическое вмешательство. Теперь вместо него, или наряду с ним, широко применяются радиоактивное и рентгеновское облучения, разрушающие клетки опухоли. В рентгеновских аппаратах и специальных «ядерных пушках», применяемых для лечения злокачественных опухолей, видное место занимают радиоэлектронные приборы.
Большую помощь оказывает медицинским работникам электронный микроскоп. Вот несколько примеров.
Тяжелое кишечное заболевание дизентерия возбуждается микробами — дизентерийными палочками; их легко увидеть 184
с помощью обычного оптического микроскопа. Ученые открыли замечательное средство против дизентерии — бактериофаг (по-русски — «пожиратель бактерий»). Но, по достоинству оценив новое лекарство, врачи еще не знали, какова его природа: то ли оно содержит живые существа необычайно малых размеров, то ли здесь сложное химическое вещество.
Склонялись к первому предположению. Проверить его с помощью оптического микроскопа оказалось невозможно -г увеличение было недостаточно. Лишь электронный микроскоп позволил подтвердить, что ученые не ошиблись. Бактериофаг — это полчища пожирателей бактерий, каждый из которых размером в стотысячную долю миллиметра. Пожиратели атакуют дизентерийную палочку, кажущуюся по сравнению с ними громадным бревном, и быстро расправляются с ней.
До открытия электронного микроскопа были «невидимы» и возбудители гриппа. Теперь же мы знаем, что вирусы гриппа имеют форму шариков диаметром около восьми стотысячных долей миллиметра.
А чем больше сведений о враге, тем легче с ним бороться.
Электронный микроскоп помог распознать причину тяжелых легочных заболеваний, непонятно почему возникавших у рабочих некоторых специальных производств. Выяснилось, что эти болезни вызывались не микробами, а мельчайшей пылью, содержащей ничтожно малые иголочки окиси цинка, кварца и т. д. Некоторые из них были толщиной всего в несколько миллионных долей миллиметра, однако они тяжело ранили нежную ткань легких, делали людей инвалидами. Когда же причина таких болезней выяснилась, с ними научились бороться: стали применять вытяжные вентиляционные устройства, очищающие воздух от коварной пыли.
Электронный микроскоп — чудесный глаз, позволяющий врачам подсмотреть сокровенные тайны живого организма. Но существует столь же чудесное ухо, которое так и называют ухом хирурга.
Во время операций врачи руководствуются зрением и особым профессиональным чувством осязания, достигающим необычайной остроты. Руку хирурга по ее гибкости, чуткости и быстроте движения обычно сравнивают с рукой профессионального музыканта.
А слух, нужен ли он для успеха операции?
В операционной, где нередко решается судьба человеческой жизни, царит глубокая тишина. Движение хирурга и ассистентов совершенно бесшумны — люди понимают друг друга без слов. Даже еле слышный звук уже отвлекает внимание, ничтожный шорох раздражает. Одно единственное слово, сказанное «под руку», может причинить серьезный вред. Вот
почему многие хирурги были бы, вероятно, нспрочь па время операции «выключить» собственные уши, как выключают громкоговоритель, когда он мешает.
Между тем богатство наших слуховых ощущений, если его суметь использовать, сулит хирургам новые возможности.
Зрение не может проникнуть в глубокую рану, не может обнаружить в ней осколков металла или костей. В таких случаях хирургам приходится работать буквально на ощупь. Они исследуют ранения с помощью длинных, слегка изогнутых металлических стержней — так называемых зондов. Вводя зонд в рану, хирург медленно ощупывает ее стенки и дно в поисках посторонних предметов, которые нужно извлечь при операции. Когда такой предмет, например осколок снаряда или кусочек кости, ударяется о зонд, в стержне возникает упругая волна, И рука хирурга улавливает легкое сотрясение.
Чтобы научиться в совершенстве владеть зондом и безошибочно угадывать характер инородного предмета, нужен большой опыт. Зондирование намного облегчится, если упругую волну, возникающую в зонде при столкновении с осколком, улавливать не рукой, а чувствительным электронным прибором. Ведь здесь мы Имеем дело с обыкновенным звуком. Значит, к нашим услугам микрофоны, улавливающие ничтожно слабую звуковую волну, и радиоусилителп, с помощью которых звук Можно усилить сколь угодно.
Был сконструирован специальный радиоэлектронный зонд, совмещающий в себе качества обычного хирургического зонда и миниатюрного микрофона. Радиоэлектронный зонд устроен очень просто. Он состоит из изогнутого металлического стержня, пьезоэлемента — такого, как в граммофонных звукоенп-мателях, радиоусплителя и наушников. Толчок, воспринятый стержнем, передается пьезоэлементу. Пьезоэлемент изгибается, в результате чего на его электродах возникают электрические заряды. Колебания этих зарядов усиливаются п передаются наушникам. В наушниках слышится звук.
Радиоэлектронным зондом можно не только обнаружить осколок, но и точно установить характер его поверхности. Если осколок с зазубренными краями — звук в наушниках прерывистый, похожий на царапанье, если же поверхность гладкая, то звук похож на шорох.
Радиоэлектронный зонд имеет и еще одно, косвенное, достоинство: наушники, плотно охватывая уши хирурга, изолируют его от посторонних шумов.
Возможны й другие радиохирургичоские инструменты, например, нож. Разрезая мышцы различной упругости, нож вибрирует по-разному. По характеру звука, слышимого в науш
никах, врач может получить представление о том, какую именно ткань он разрезает.
Такой «озвученный» нож будет «откликаться» на каждое мышечное волоконце, на любой кровеносный сосудик. Хирургия обогатится новым, объективным средством контроля.
Прежде чем покинуть операционную, познакомимся еще с одним радиоэлектронным устройством, которое ужо сейчас начинает оказывать хирургам большую помощь.
Когда операцию делают под наркозом, бывает необходимо все время следить за кровообращением в организме больного. Успевают ли легкие снабжать кислородом кровь? Может быть, нужно увеличить подачу кислорода?
Чтобы получить ответ, раньше прибегали к химическому анализу крови. Это был неудобный и не особенно надежный способ. Непрерывно следить за содержанием кислорода в крови не удавалось. Теперь на ухо больного надевают миниатюрный зажимчик, с одной стороны которого расположен крошечный фотоэлемент, а с другой — малюсенькая лампочка. Вот лампочка загорелась. Сквозь ткань ушной раковины, сквозь густое сплетение кровеносных сосудов проникает световой луч. Если кровь богата кислородом, она светлая. Света проходит больше. Если же кислорода не хватает, кровь темнеет, количество света, проходящего сквозь ткань уха, уменьшается.
В зависимости от освещенности фотоэлемент вырабатывает больший или меньший ток. Колебания электрического тока поступают в усилитель и, усилившись, приводят в действие стрелку электроизмерительного прибора или перо самописца. При этом подача кислорода регулируется автоматически.
Такие устройства, получившие название оксигемографов, скоро займут почетное место у каждого операционного стола.
Другой подобный прибор — эритрогемометр — определяет число красных кровяных шариков — эритроцитов. Чем их больше, тем кровь при одинаковом содержании кислорода темнее, тем меньше света проникает сквозь нее и попадает на фотоэлемент.
Только что мы говорили о радиоэлектронном «ухе хирурга». Существует еще одно радиоэлектронное «ухо». Слуховые аппараты с миниатюрными радиоусилителями вернули работоспособность тысячам людей с пониженным слухом. Радиоэлектроника может возвратить слух даже людям с лопнувшими барабанными перепонками. Барабанная перепонка воспринимает звуковые воздушные волны подобно мембране микрофона п передает их слуховому нерву. Но при больших перегрузках (например, от взрывной волны) она может выйти из строя — повредиться пли даже лопнуть. В результате наступает глухота.
Может ли после этого человек снова обрести слух?
Прислонитесь виском к вибрирующему корпусу станка. Слышите гул? Звуковые колебания достигли вашего внутреннего уха, минуя барабанную перепонку. Говорят, что оглохший Бетховен слушал игру на рояле, упершись в него концом трости и стиснув рукоятку губами.
Услышать таким образом звук можно лишь в том случае, если колебания очень мощны. Но мы знаем, что сравнительно слабые звуки человеческой речи можно превращать в колебания электрического тока и усиливать в сотни и тысячи раз. Мощные колебания поступают на специальный громкоговоритель. От него вовсе не требуется громкого звучания, важно только, чтобы мембрана с силой вибрировала. Ее прижимают не к уху, а к виску или костям, расположенным за ухом. Колебания мембраны передаются костям, а от них непосредственно слуховому нерву.
Мы познакомились далеко не со всеми медицинскими радиоприборами, уже существующими в наше время. А сколько их появится в будущем!
Совсем недавно построили сложную электронную машину, служащую моделью человеческого сердца и кровеносной системы. Эта машина переводит сердечную деятельность на язык математики, составляет и решает математические уравнения, отражающие работу здорового сердца и влияние различных заболеваний и пороков. Машина вычерчивает на бумажной ленте кривую, которую не отличишь от кардиограммы живого человека. Врач вводит в математические уравнения поправки, соответствующие тому или иному заболеванию. Всякий раз характер кривой несколько изменяется. Врач сравнивает кривую, вычерчиваемую машиной, с кардиограммой больного. Если кривые совпадают, значит, диагноз правилен.
Так благодаря радиоэлектронике медицина становится точной наукой, в которой заболевание выражается математической формулой.
Такой метод пригоден, в частности, для диагностики нервных и психических болезней. Он позволяет по-новому оценить многие процессы, происходящие в головном мозгу и нервной системе человека. А ведь нервная система — регулятор жизнедеятельности всех органов человеческого организма. Научившись управлять этим регулятором, врачи смогут эффективнее предотвращать и лечить самые различные заболевания. Будем же надеяться, что успехи радиоэлектроники подготавливают почву для грандиозного скачка в развитии медицинской науки, для решающей победы в борьбе за сохранение и продление человеческой жизни!
ПРОВОДНИК НАПОЛОВИНУ
На страницах этой книги вы встречались с двумя видами веществ, по-разному относящимися к электрическому току. Одни вещества хорошо проводят ток, поэтому их называют проводниками. Другие практически не пропускают электричества— это изоляторы.
К проводникам, например, относятся металлы. Мы уже знаем, что в них много свободных электронов, оттого металлические тела и обладают большой электропроводностью. В изоляторах (стекло, фарфор, пластмассы и т. д.) свободных электронов ничтожно мало, можно сказать, совсем нет. Электроны прочно связаны с атомами. Вот почему изоляторы оказывают электрическому току отчаянное сопротивление.
Но, кроме этих двух групп веществ, есть еще одна, занимающая промежуточное положение. Вещества, которые принадлежат к ней, нельзя отнести ни к проводникам, ни к изоляторам. Обычно они проводят электрический ток очень плохо, но иногда с ними происходит загадочное превращение — их электропроводность резко возрастает. Таких веществ очень много, они названы полупроводниками. К полупроводникам относятся химические элементы: германий, кремний, селен, теллур,
СВОБОДНЫЕ, НЕСВОБОДНЫЕ И ОСВОБОЖДЕННЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ. 1) В куске металла (проводнике) много свободных электронов. 2) Электроны начинают работать, когда к концам проводника подключаются заряды. 3) В полупроводнике электроны не свободны. Но связь их с атомами непрочна: стоило нагреть один конец полупроводника, как они ринулись прочь, спасаясь от жары (4).
фосфор, бор и др., а также различные окислы, руды и минералы. Между прочим, кристаллик в детекторе, знакомый даже начинающим радиолюбителям,— тоже полупроводник.
Полупроводники издавна применялись в металлургии, химической промышленности, на строительных работах. Только электротехники не обращали на них внимания. Думали: какая может быть польза от полупроводника, если из пего не сделаешь ни провода, ни ролика? И чудесные вещества долгое время оставались в забвении.
А сейчас, в наши дни, полупроводники нужны и электротехнике и радиоэлектронике. Загадочные свойства полупроводниковых веществ изучены и объяснены; на этих свойствах основаны тысячи остроумных приборов, совершивших подлинный переворот в науке и технике. Познакомимся
с некоторыми такими приборами, но прежде разберемся в том, что же представляет собой «проводник наполовину».
В полупроводниках, как и в изоляторах, электроны связаны с атомами. Только связь эта очень непрочна. При нагреве, освещении и в некоторых других случаях она разрывается, и электроны оказываются на свободе. А как только появляются свободные электроны, электропроводность, которая обычно невелика, резко возрастает. Это явление используется в термисторах и фотосопротивлениях.
Термистором называют полупроводниковый термометр. Если присоединить кусочек полупроводника к электрической батарее, то в такой цепи будет течь слабый ток. При нагреве сила тока начнет возрастать — ведь электропроводность полупроводника с повышением температуры также повышается. Если включить в цепь чувствительный электроизмерительный прибор, то его стрелка отклонится тем сильнее, чем выше температура полупроводника. По отклонению стрелки можно, стало быть, судить о степени нагрева — перед нами полупроводниковый термометр.
Внешне термисторы выглядят по-разному. Некоторые из них делаются в виде крошечных стеклянных трубочек, из которых торчат проволочные кончики. Другие похожи на бусинки, третьи напоминают миниатюрные пластинки. Агрономы пользуются термисторами, похожими на кинжал. Такой приборчик вонзают в почву, чтобы узнать ее температуру. Специальный медицинский термистор напоминает заточенный карандаш. На остром кончике «карандаша» — полупроводниковый шарик, покрытый тончайшей стеклянной «броней». Диаметр шарика составляет десятые, а иногда и сотые доли миллиметра. Прислонишь такой карандаш к телу, и подключенный к шарику электроизмерительный прибор мгновенно покажет ту или иную температуру. Шарик для того и делается таким крошечным, чтобы он нагревался и остывал буквально в один миг. В недавно вышедшей книжке Г. Анфилова «Что такое полупроводник» рассказывается, как испытывался этот необыкновенный градусник.
«Приглашенный на испытание прибора профессор-медик за полсекунды измерил им температуру кожи па собственной руке! Потом профессор коснулся термистором кровеносного сосуда — и стрелка заметно передвинулась. Прибор уловил ничтожную разницу температуры. Врачи, обступившие профессора, пришли в восторг».
С помощью термисторов можно измерять температуру на расстоянии. В одном месте помещают термистор, в другом— электроизмерительный прибор и батарею, а между ними — про-
вода. Таким способом можно осуществлять противопожарный контроль. Если температура в каком-либо помещении превысит определенный предел, на центральном пункте раздастся тревожный сигнал.
А как измерить температуру... ну, скажем, Солнца? Туда ведь не протянешь проводов. Да и термистор, очутившись на Солнце, тотчас превратился бы в пар. И все же измерить температуру Солнца можно. Сделать это помогает солнечный свет.
Кто из нас не любовался красивой многоцветной радугой, появляющейся иногда на небе после дождя? Секрет радуги был раскрыт еще в семнадцатом веко чешским ученым Марци, проделавшим такой опыт. В темную комнату через небольшое отверстие проникал узкий солнечный луч. Он падал на одну из стен, образуя на ней световой зайчик. Марци поместил на пути луча стеклянную призму — кусок стекла с тремя гранями. И вдруг на стене вместо зайчика появилась искусственная радуга— многоцветная полоса, в которой красная полоска сменялась оранжевой, за ней виднелась желтая, затем зеленая, голубая, синяя и фиолетовая. Радуга — это те же световые лучи, прошедшие через призму, но только роль призмы играют здесь дождевые капли.
Великий английский ученый Ньютон нашел, что если на пути светового луча поставить две призмы, одну вниз ребром, другую — вверх, то радужная полоса снова превратится в обыкновенный солнечный зайчик. Стало ясно, что белые солнечные лучи состоят из ряда цветных. Совокупность этих лучей, образующих радужную полосу, Ньютон назвал спектром. Сейчас мы знаем, что лучи разного цвета представляют собой электромагнитные волны различной длины. Волны длиной 0,7 микрона — это лучи красного цвета; 0,6 — желтого; 0,5 —зеленого; 0,4 — фиолетового.
Выяснилось, что в зависимости от температуры светящегося тела характер спектра несколько изменялся. Если источник света имел температуру, положим, 1 000 градусов, красные лучи несли больше всего энергии. Тело, нагретое до 2 000 градусов, сильнее испускало лучи желтого цвета, а когда температура достигла 3 000 градусов, в спектре преобладали голубые лучи.
А как узнать, какие именно лучи несут в себе наибольшее количество энергии? Вот здесь-то и оказал неоценимую помощь миниатюрный термистор. Его перемещали по спектру, и прибор показывал разную температуру. После ряда опытов ученые установили закономерность, по которой изменяется энергия лучей в спектре, и научились пользоваться спектром, как своеобразной термометрической шкалой.
Теперь уж было нетрудно «прощупать» термистором спектр солнечного света. Сравнивая его со спектрами тел, нагретых до 192
различных температур и определили температуру поверхности Солнца. Она оказалась равной 6 000 градусов Цельсия.
Известно, что больше всего лучистой энергии поглощают предметы, окрашенные в черный цвет. Вот почему летом мы предпочитаем белую одежду — в ней прохладнее. Ученые «одело термистор в черную одежду и поместили в стеклянный баллон, из которого затем откачали воздух. Колебания температуры окружающего воздуха передавались термистору очень медленно: пустота плохо проводит тепло. Зато к лучистой энергии такой прибор (его назвали болометром) оказался чувствителен необычайно. Черная краска жадно поглощает лучи, при этом их энергия превращается в тепло, и термистор нагревается.
Чувствительность болометров поистине баснословна. Если поместить болометр в фокус металлического рефлектора, напоминающего по форме антенну радиотелескопа или сильно увеличенную автомобильную фару, то получится прибор, реагирующий на ничтожно слабые излучения. Такой прибор обнаруживает спичку, зажженную на расстоянии в несколько километров. «Отзывается» он и на невидимые инфракрасные лучи, испускаемые всеми нагретыми телами. Летит, скажем, самолет. И глазом-то ого не различишь,— такая высота, но стоит «нащупать» самолет нашим рефлектором, как чуткий болометр тотчас уловит крупицу лучистой энергии, испускаемой работающим двигателем. На этом принципе построены приборы, позволяющие не только обнаружить самолет, летящий на высоте до 8 километров, но и установить, сколько у него двигателей.
Болометры применяются также для сигнализации и локации инфракрасными лучами, для «видения» в темноте и т. п. Перед этими замечательными по своей простоте полупроводниковыми приборчиками — сказочные перспективы.
А теперь поближе познакомимся с «электрическим глазом»— фотоэлементом и с фотосопротивлением.
Фотоэлемент был изобретен в конце прошлого века профессором Московского университета А. Г. Столетовым. Он напоминает обычный диод. Это стеклянный баллончик с двумя металлическими электродами, один из которых в простейшем случае представляет собой небольшую пластинку, а другой — сетку. Если замкнуть снаружи электроды проводником, в цепь которого включены батарея и чувствительный электроизмерительный прибор, то при освещении фотоэлемента стрелка прибора отклонится. Значит, через безвоздушное пространство начал течь ток. Но ведь в фотоэлементе нет раскаленного катода, испускающего поток электронов! Чем же объясняется возникновение тока? Причина этого явления — энергия световых лучей. Световой луч, падая на холодный катод фотоэлемента (пластинку, соединенную с отрицательным полюсом батареи), выбивает
из его поверхности электроны* Они-то и образуют ток, заставляющий отклониться стрелку прибора.
Существуют и другие типы фотоэлементов, которые не йуж-
даются в батарее, а сами служат источниками тока.
Фотоэлемент мгновенно отзывается на самые быстрые колеба-
ния освещенности. Он, как и электронная лампа, почти безы-
«ЭЛЁКТРИЧЕСКИЙ ГЛАЗ» — фотоэлемент.
нерционен. Однако чувствительность фотоэлемента оставляет желать лучшего. К нему приходится добавлять многоламповые усилители, но это зачастую мало что дает.
А между тем у фотоэлемента есть двойник, уступающий ему
в быстроте реакции,
но зато несравненно более чуткий. Это полупроводниковое фотосопротивление. Оно было открыто пятнадцатью годами раньше фотоэлемента.
В 1872 году английский физик Смит, исследуя материалы с большим сопротивлением электрическому току, обнаружил,
что электропроводность полупроводникового вещества селена при освещении резко возрастает. Так появились первые фотосопротивления. Но они работали очень неустойчиво, на них сильно влияли колебания температуры. Неудивительно, что до самого последнего времени фотосопротивления не находили сколько-нибудь широкого практического применения, в то время как обычные фотоэлементы завоевали большую популярность. И только в течение последних пяти-шести лет фотосопротивлениям удалось взять реванш. Были созданы новые полупроводниковые материалы, которые позволили избавиться от недостатков, присущих старым типам фотосопротивлений, сохранив при этом все их достоинства. Современные фотосопротивления хорошо противостоят колебаниям температуры, отличаются небольшими размерами (одно из таких сопротивлений поместили прямо на стрелку электроизмерительного прибора!), простотой изготовления, исключительной надежностью и высокой механической прочностью. Да разве сравнишь хрупкий стеклянный панцирь фотоэлемента с легкой небьющейся пластинкой полупроводника!
Если добавить еще, что электропроводность современных фотосопротивлений при освещении возрастает в десятки и сотни тысяч раз, то вы получите представление о том, какой это опас
ный конкурент для обычного, довольно-таки подслеповатого электрического глаза. И действительно, фотосопротивления приходят па смену фотоэлементам во многих автоматических устройствах.
В типографии «Печатный двор» имени Горького (Ленинград) фотосопротивлёния «наблюдают» за работой типографских машин. На различных участках машины установлены фотосопро-тпвления. Бумажная лента, поступающая в машину, загораживает от них свет, но стоит ленте порваться, как одно из фо-тосопротивленпй окажется освещенным и оно незамедлительно дасТ дорогу электрическому току. Ток пойдет через обмотку электромагнита, электромагнит сработает и остановит машйну. Фотосопротивления следят также за тем, чтобы в печатную машину не попало одновременно двух листов бумаги и чтобы она не работала вхолостую. Через бумажный лист «на просвет» проходит луч. Если в машине окажутся два слипшихся листа, количество света, падающего на фотосопротивление, уменьшится, а если ни одного — резко возрастет/Прибор отрегулирован таким образом, что в обоих случаях машина будет автоматически остановлена.
На ленинградском мыловаренном заводе имени Карпова фотосопротивления с 1952 года добросовестно учитывают готовую продукцию, сходящую с конвейера, па Московском автозаводе — контролируют качество шариковых подшипников, на Ленинградской табачной фабрике — считают папиросы и регулируют уровень табака.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте автогенной обработки металлов сконструирован фотокопировальный станок, автоматически обрабатывающий изделия по чертежам. В основе этого станка-автомата лежат все те же фотосопротивления.
Область применения полупроводниковых фотосопротивлений необычайно широка. Они могут улавливать и ультрафиолетовые лучи, и лучи Рентгена, и радиоактивное излучение. А уж об инфракрасных лучах и говорить не приходится, недаром фотосопротивление сродни термистору!
Конечно, нельзя утверждать, что роль обычного фотоэлемента уже сыграна, что он доживает последние дни. За фотоэлементом все еще сохраняется первенство во всех тех приборах, где нужно уследить за чрезвычайно быстрыми изменениями освещенности, например, в аппаратуре звукового кино. Фотоэлемент и фотосопротивление дополняют друг друга, непрерывно совершенствуясь, находя все новые применения.
Термисторы и фотосопротивления — это простейшие полупроводниковые приборчики. Существуют и гораздо более сложные. Чтобы понять, как онй работают, на каких принципах
строятся, надо глубже разобраться в физических процессах, происходящих внутри полупроводника.
Проводимость у полупроводников бывает двух видов. В од-них случаях она, как и у металлов, объясняется наличием свободных электронов, движение которых и образует ток. В других она носит совершенно иной характер, присущий только полупроводниковым веществам. Представьте, что один из атомов полупроводника в силу каких-либо причин (например, в результате нагревания) потерял электрон и стал положительным ионом. На внешней орбите его, там, где раньше был электрон, осталось пустое место, своего рода дырка. Положительный заряд «осиротевшего» атома начинает воздействовать на соседние атомы, стараясь в свою очередь отторгнуть от какого-либо из них недостающий электрон. И вот в какой-то момент один из соседних атомов «не выдерживает» и лишается электрона, который заполняет «дырку» в первом атоме. Но теперь уже появилась «дырка» во втором атоме. Второй атом заряжается положительно и отнимает электрон у третьего атома. Третий у четвертого, четвертый у пятого и т. д. «Дырка» начинает путешествовать по полупроводнику, переходя от одного атома к другому. Вместе с ней путешествует и положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Такая проводимость называется дырочной.
Таким образом, проводимость полупроводника может быть электронной и дырочной. В первом случае носителями тока служат электроны, во втором — «дырки». Конечно, сама «дырка» никакого заряда не имеет — ведь это пустое место. Но атом, в котором она образуется, всегда заряжен положительно, поскольку в нем недостает электрона. А раз так, то не проще ли условно считать «дырку» частицей, несущей положительный заряд? Тем более, что она во всем подражает настоящей частице.
Какие же из полупроводниковых веществ обладают электронной проводимостью и какие — дырочной? Оказывается, один и тот же полупроводник может обладать обоими видами проводимости. Все дело в химическом составе примесей, которые всегда есть в любом веществе. Одни примеси придают полупроводнику электронную проводимость, другие — дырочную.
Если раскалить медную проволочку, то на ней образуется черный налет — окалина. Это соединение меди с кислородом воздуха, так называемая закись меди.
По своим электрическим свойствам полученная нами закись— типичный полупроводник, только загрязненный, содержащий примеси других веществ. Там, где окалина граничит с металлом, в ней много «посторонних», не вступивших в соединение с кислородом атомов меди, Неудивительно, что этот слой
проводит электрический ток лучше, чем чистая закись меди: ведь здесь больше свободных электронов, налицо заметная электронная проводимость. А как ведет себя закись на поверхности, там, где она граничит с воздухом? В поверхностном слое окалины имеется избыток атомов кислорода. Но мы знаем, что кислород не проводит электрического тока. Может быть, избыточные, не соединившиеся с медью атомы кислорода ухудшают и без того низкую электропроводность полупроводника? Оказывается, нет. Опытным путем выяснили, что проводимость не только не ухудшается, но, напротив, становится заметно выше. Чем же объяснить тот факт, что кислород, будучи изолятором, улучшает электропроводность закиси? Объяснение здесь одно: атомы кислорода способствуют образованию «дырок». Кислород не мирится с ролью посторонней примеси.Его атомы «настроены» весьма агрессивно — они перетягивают к себе электроны закиси. В атомах полупроводника то там, то тут возникают зияющие бреши, которые уже нечем заполнить. Появляется множество «дырок», и полупроводник приобретает дырочную проводимость.
Отсюда мы видим, что, искусственно загрязняя полупроводниковое вещество теми или иными примесями, можно придавать ему нужные электрические свойства. А для чего это нужно?
Проделаем простой опыт. Возьмем два крошечных полупроводниковых брусочка — один с электронной проводимостью, другой с дырочной. Торцы брусочков замкнем металлической пластинкой, а два других торца с помощью проводов подключим к электроизмерительному прибору. Теперь поднесем к металлической перекладине горящую спичку. От перекладины тепло будет передаваться брусочкам. В полупроводнике с электронной проводимостью появятся свободные электроны. По мере нагрева электроны начинают двигаться все быстрее, сталкиваются все чаще, мешают друг другу все сильнее. Стремясь избавиться от тесноты, они невольно перекочевывают в более холодный конец брусочка, где гораздо «просторнее». Но электроны несут в себе отрицательный электрический заряд. А раз в холодном конце брусочка их становится больше, то этот конец заряжается отрицательно по отношению к горячему.
Похожая картина наблюдается и в брусочке с дырочной проводимостью. Только там в холодном конце скапливаются положительные заряды. Электронный и дырочный брусочки становятся как бы полюсами электрической батареи, и по проводу, который их соединяет, начинает течь ток.,
Приборчик, непосредственно преобразующий тепло в электроэнергию, назвали термопарой или термоэлементом. Чем же замечательна полупроводниковая термопара?
Долгие годы трудились ученые над решением чрезвычайно Важной проблемы: требовалось найти простой и экономичный способ превращать тепловую энергию в электрическую без каких-либо промежуточных процессов. Вспомните, как работает обычная тепловая электростанция. В топках сжигают уголь. Тепло, выделяющееся во время горения, нагревает воду в паровом котле. Пар под высоким давлением поступает в турбину п вращает ее лопатки. Тепловая энергия переходит в механическую. С рабочим колесом турбины связан генератор электрического тока. Он превращает механическую энергию вращения в электроэнергию.
Как видите, тепловая энергия сначала превращается в механическую и только затем в электрическую. А каждый такой переход энергии неизбежно сопровождается ее потерями. «По дороге» значительная часть энергии расходуется впустую, например на совершенно бесполезны!! нагрев подшипников. В результате не более десяти процентов тепла доходит по назначению.
А нельзя ли вовсе обойтись без помощи машпн, заменить их куда более простыми и удобными термоэлементами? Раньше такой вопрос показался бы нелепым. Дело в том, что термоэлементы были известны еще в начале прошлого века, но делались они тогда не из полупроводников, а из металлов. Металлические термопары имели крайне низкий коэффициент полезного действия. Вырабатывая 1 ватт электрической энергии, они требовали взамен 200 ватт тепловой. Ясно, что столь неэкономичный источник электричества не имел практического значения для техники. Поэтому термоэлементы использовали только в качестве термометров.
Когда в 1929 году академик А. Ф. Иоффе выступил с утверждением, что «с помощью полупроводников можно будет получать электроэнергию с коэффициентом полезного действия от 2,5 до 4 процентов», то многие в это не поверили. Но прошло четверть века, и сама жизнь доказала правоту ученого. С полупроводниковыми батареями, состоящими из ряда отдельных термопар, удалось достичь коэффициента полезного действия от 6 до 8 процентов. Но это еще далеко но предел. Лабораторные опыты дают основания полагать, что в будущем термобатареи окажутся экономичнее генераторов с паровыми машинами. Проблема, над которой так долго трудились ученые, близка к разрешению.
Но и теперь термогенераторы уже приносят немалую пользу. Вот, например, один из них — миниатюрный генератор ТГК-3. Он надевается на обыкновенную' керосиновую лампу-молнию. Теплый воздух, выходящий из лампового стекла, нагревает элементы термобатереи. С другого конца они охлаждаются окру-198
ПРИЕМНИК РАБОТАЕТ ОТ КЕРОСИНОВОЙ ЛАМПЫ. Теплый воздух, выходящий из лампового стекла, нагревает элементы термобатареи, образуется электрический тон, достаточный для питания радиоприемника.
жающим воздухом. Благодаря разности температур термогенератор начинает вырабатывать электроэнергию, и ее вполне хватает на питание батарейного радиоприемника типа «Родина».
Генераторы ТГК-3 проникают па полярные зпмовки и рыболовецкие промыслы, на целинные зсмлп и в геологические экспедиции.
Разработаны также более мощные термогеператоры типа ТГУ-1, которые нагреваются па специальных керогазах и питают радиостанции «Урожай».
А теперь представьте па минуту обычную железную печь, отапливаемую углом,торфом или дровами. Ее тепла будет достаточно для электрического освещения квартиры, для зарядки аккумуляторов ( ведь печь топится не круглые сутки, значит, нужно запасать электроэнергию впрок).
Сколько энергии теряется сейчас попусту! Ученые подсчитали, что до 80 процентов тепла, выделяемого при топке печей, бесполезно уходит в воздух вместе с дымом. Мы топим буквально на ветер! А ведь изрядную долю этого бросового тепла можно перехватить и использовать с помощью термобатарей. В дымоходах, заводских трубах, каналах с горячей сточной водой нетрудно установить термоэлементы. В скором времени так и будет. Но для этого нужно, чтобы полупроводники прежде всего стали дешевы.
Мы только <что говорили об использовании бросового тепла, тепловых отходов, получающихся при работе печей, теплоцентралей, домн и т. д. Но ость еще неиспользуемое даровое тепло, щедро раздаваемое самой природой. Вот, например, солнечные лучи, о которых мы уже вели разговор. Сколько в них энергии, и как она не по-хозяйски расходуется! Перенеситесь на миг в пустыню. Голые, раскаленные солнцем пески. Лютый зной. Палящее солнце. Вот куда так и просятся термобатареи!
Впрочем, термобатареи из обычных, даже полупроводниковых термоэлементов были бы там недостаточно эффективны. Ведь термопара дает электрический ток лишь когда один ее конец нагрет сильнее, чем другой. А получить достаточно большой перепад температур на солнцепеке не так-то просто. Вот почему солнечные батареи, преобразующие лучистую энергию Солнца в электроэнергию, предпочтительнее делать не
на термопарах, а на вентильных полупроводниковых фотоэлементах. О них мы сейчас и побеседуем.
Вернемся к фотосопротивлениям. Чтобы фотосопротивление могло себя проявить, нужен внешний источник электрического тока, например, батарейка от карманного фонарика. Ток создается батарейкой, а фотосопротивление только регулирует его силу. Если оно на свету — в цепи течет сравнительно сильный ток, если в темноте — очень слабый.
В отличие от фотосопротивления вентильному фотоэлементу не нужно никакой батарейки. Будучи освещен, он сам становится источником электрического тока.
Как устроен такой приборчик? Взяли две пластиночки полупроводника (одну с электронной проводимостью, другую с дырочной) и соединили. На границе между пластинками образовался своего рода барьер — электронно-дырочный переход. При освещении в электронном полупроводнике появляются свободные электроника в дырочном — «дырки». Незначительная часть электронов, перейдя границу, проникнет на территорию дырочного полупроводника. Часть «дырок» в свою очередь перекочует по ту сторону границы. А вот для основной массы электронов и «дырок» барьер окажется непреодолимым. Дело в том, что первые электроны, скопившись в пограничной зоне, мешают перейти границу остальным, отталкивают их (ведь одноименно заряженные частицы — вечные соперники). То же происходит и с «дырками». И вот образуются два лагеря. По одну сторону электронно-дырочного перехода скапливаются отрицательные заряды, по другую — положительные. Если теперь соединить извне пластиночки полупроводника проводом, то по нему потечет ток. Не пробившись напрямик, электрические заряды охотно воспользуются обходной дорогой. Таков принцип действия полупроводникового фотоэлемента.
Уже построены «солнечные батареи» малой мощности. Зарождается новая важная отрасль энергетики — гелиоэнергетика (от слова «гелиос» — солнце).
Например, в США было сооружено несколько телефонных линий, питание которых осуществляется от батареи из 432 фотоэлементов, каждый размером с монетку. Элементы устанавливаются прямо на телефонных столбах. Днем энергия солнечных лучей преобразуется фотоэлементами в электроэнергию. Часть электроэнергии запасается на ночь с помощью аккумуляторов, укрепленных рядом. Такие линии особенно выгодны в сельских местностях.
Созданы настольные часы, в которых пружину заводит слабый комнатный свет. Полупроводниковый фотоэлемент отдает энергию аккумулятору, а тот, в свою очередь — электро-200
моторчику, приводящему в действие заводной механизм. Побыв день на свету, часы могут идти не одну неделю.
Но все это — не главное. Гораздо более серьезная проблема — создать мощную солнечную электростанцию, способную снабжать энергией заводы и больницы, кинотеатры и жилые дома. Такую электростанцию намечено построить в Армении, в Араратской долине.
Представьте сотни гигантских щитов, расположенных правильными рядами. Каждый щит — это батарея полупроводниковых фотоэлементов с коэффициентом полезного действия свыше 10 процентов. Щиты автоматически движутся — наклоняются и поворачиваются так, чтобы их плоскости были всегда перпендикулярны солнечным лучам. Если общая поверхность фотоэлементов составит 1 гектар, солнечная электростанция будет обладать мощностью до тысячи киловатт.
Огромную роль будут играть солнечные электрогенераторы на межпланетных станциях — гигантских искусственных спутниках Земли, служащих промежуточными пунктами при космических перелетах.
Там, где отсутствует атмосфера, эти новые источники электроэнергии будут бесперебойно вырабатывать ток — столько, сколько потребуется.
Среди множества различных приборов, установленных на третьем спутнике, запущенном в Советском Союзе, есть и солнечные батареи. Наряду с аккумуляторами они обеспечивают летающую лабораторию электрической энергией.
Полупроводники найдут свое место и в мирном использовании атомной энергии. Мы уже отмечали, что фотосопротивления чувствительны не только к свету, но и к радиоактивному излучению. Так вот, ученым удалось создать полупроводниковые фотоэлементы, преобразующие энергию радиоактивного излучения в электрический ток. Такие генераторы применяются в экспериментальных атомных реакторах. Принципиально возможны и миниатюрные атомные батарейки, состоящие из радиоактивной пластинки и полупроводникового приборчика. Крошечная батарейка объемом в доли кубического сантиметра сможет питать карманный фонарик 20—30 лет.
А вот еще одна интересная область использования полупроводников. Мы познакомились с термопарой, как с источником электрического тока. А что случится, если через термопару пропускать ток от какого-то внешнего источника, скажем, от батареи? Оказывается, с одного конца термоэлемент начнет нагреваться, с другого — остывать.
Еще в тридцатых годах прошлого века русский ученый, академик Ленц, заморозил каплю воды, пропуская через термоэлемент электрический ток. Но металлические термопары ма-
неэффективны — они дают охлаждение всего на несколько градусов. Иное дело полупроводники. С их помощью удается понижать температуру на 60 градусов и даже больше.
Полупроводниковые термоэлементы позволяют строить простые, экономичные холодильники. В заднюю стенку такого холодильника вделан радиатор, как в батареях парового отопления. К нему прикрепляются нагревающиеся концы термопар. Внутри холодильника имеется другой радиатор, который связан с охлаждающимися концами термоэлементов. Когда через термоэлементы пропускают ток, внутренний радиатор вбирает в себя тепло, а наружный отдает его окружающему воздуху. Поэтому внутри холодильника устанавливается низкая температура.
Полупроводниковый холодильник легко превратить в духовой шкаф. Стоит только изменить направление тока на обратное. Тогда внешний радиатор будет охлаждаться и отбирать тепло у окружающего воздуха, а внутренний — соответственно нагреваться. Выходит, температура внутри шкафа повышается не только за счет энергии электрического тока, по и за счет тепла, отбираемого извне. Термоэлемент как бы концентрирует тепловую энергию, втискивает ее внутрь шкафа.
Представьте теперь, что комната, в которой вы живете, помещена в такой холодильник-обогреватель. Лотом, в жару, помещение охлаждается, зимой — нагревается. И все это делается автоматически, так что температура в комнате поддерживается равной, скажем, 20 градусам. Искусственный климат, да и только!
Пройдет десяток лет, и полупроводниковые установки искусственного климата станут столь же обычны, как телефон или радиоприемник. Так, шаг за шагом, входят в наш быт выдающиеся достижения науки и техники.
В этом разделе мы коснемся еще одного применения полупроводников. Часто возникает необходимость в усилении слабых изображений, например, при рентгеновском просвечивании человеческого организма. Усилить изображение — значит сделать его более контрастным, сочным, ярким, выявить на нем больше деталей. С помощью полупроводников эта задача может быть легко решена.
Вот как работает полупроводниковый усилитель света. Два плоских прозрачных стекла наложены друг на друга. Благодаря особому составу они способны проводить слабый электрический ток. Между стеклами нанесена тонкая полупроводниковая пленка сернистого цинка с примесью марганца. К проводящим пластинам присоединена электрическая батарея.
Пластины устанавливаются перед экраном телевизора, рентгеновского аппарата и т. д. Под действием световых лучей, 202
идущих от экрана, полупроводниковая пленка начинает светиться. На ней появляется такое же изображение, только гораздо более яркое и контрастное. Изображение удается усиливать до 50 раз.
Таковы некоторые применения полупроводников*
Академик А. Ф. Иоффе как-то сказал: «Стало общепризнанным, что развитие учения об атоМном ядре призвано перестроить энергетику будущего, открыть новые пути к овладению природой. Столь же несомненно, хотя далеко еще и не так широко известно, огромное значение полупроводников для техники ближайших десятилетий».
К этим словам трудно что-либо добавить.
Познакомимся теперь с еще одним, чуть ли не самым главным применением полупроводниковых приборов.
О
СОПЕРНИК „ВОЛШЕБНОЙ» ЛАМПЫ
Электронная лампа первенец радиоэлектроники. Ей мы обязаны развитием радиосвязи, появлением радиолокации и многим, многим другим. Однако у нее есть недостатки, с которыми все труднее мириться.
Радиолампа имеет ограниченный срок службы, может неожиданно перегореть. А стоит испортиться одной лампе из нескольких тысяч, составляющих «мозг» электронно-счетной машины, и машина перестанет «соображать».
Другой недостаток радиолампы — ее сравнительно большие размеры. Большую часть площади в приемниках и телевизорах занимают лампы и источники питания — трансформаторы, выпрямители и т. д. Все это раздувает габариты радиоэлектронных устройств.К тому же «волшебная» лампа очень прожорлива, потребляет много электроэнергии.
Ученые стали искать достойного преемника электронной лампы, обладающего всеми ее замечательными свойствами, но свободного от недостатков. И тогда вспомнили об одном забытом открытии,
В двадцатых годах Олег Владимирович Лосев, сотрудник
Нижегородской радиолаборатории и страстный радиолюбитель, изобрел кристадин — усилитель электрических колебаний, основанный не на электронной лампе, а на особом детекторе, состоявшем из кристалла полупроводникового вещества цинкита и угольного стерженька.
В 1924 году открытие О. В. Лосева было отмечено не только нашими, но и многими иностранными радиотехническими журналами. В английских, американских, французских, испанских и голландских радиожурналах описывались схемы кристадина. Авторы статей говорили о «делающем эпоху изобретении О. В. Лосева из Государственной радио-электрической лаборатории в России». Редакционная статья в американском журнале «Радио Ньюс» так и называлась: «Сенсационное радиоизобретение». Авторы статьи утверждали, что «теперь кристалл заменит лампу».
Но изобретение Лосева опередило радиотехнику того периода. Электронная лампа вступала в пору своего расцвета, и кристадин не мог с ней конкурировать. Имя изобретателя, прогремевшее по всему миру, было незаслуженно забыто.
«Второе рождение» кристаллического усилителя относится уже к сороковым годам. В это время особое внимание уделяли развитию радиолокации, в связи с чем.стали широко применяться сверхкороткие сантиметровые волны. , Оказалось, что обычные электронные лампы на сантиметровых волнах работают очень плохо, либо вовсе не годятся. Ученые начали конструировать радиолампы специально для сверхвысоких частот. Вспомнили про кристаллический детектор. И тогда убедились, что на этих частотах он работает лучше, чем обычная двухэлектродная лампа — диоДд
В процессе совершенствования кристаллического детектора были найдены новые высококачественные полупроводниковые материалы. С их помощью удалось создать кристаллический триод, обладавший уже способностью усиливать электрические колебания.
Разберемся в работе полупроводникового триода. Но прежде посмотрим, как действует более простой приборчик — кристаллический детектор.
Мы уже знаем, что такое электронно-дырочный переход. Оказывается, эта пограничная зона обладает очень важным свойством — способностью выпрямлять переменный электрический ток.
Возможны два случая. Предположим, что дырочный участок подключен к положительному полюсу электрической батареи, а электронный — к отрицательному. Тогда под воздействием электрических сил «дырки» и электроны устремятся навстречу друг другу. Через полупроводник потечет ток.
Но вот мы поменяли местами полюсы батареи. Теперь дыроч
ный участок заряжен отрицательно, а электронный — положи-
тельно. В результате «дырки» и электроны «шарахнутся» друг
от друга. Пограничная зона моментально лишится как «дырок»,
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД. Если к дырочному участку полупроводника присоединен положительный полюс батареи, а к электронному—отрицательный, «дырки» и электроны движутся навстречу друг другу, возникает ток.
Если же «минус» батареи подключен к дырочному участку, а «плюс» к электронному —«дырки» и электроны «шарахаются» в разные стороны. Переход лишается и «дырок» и электронов, превращается «в зону пустыни». При этом ток через переход течь не может.
так и свободных электронов, превратится в своего рода зону пустыни. Никакого тока при этом не будет.
Выходит, что электронно-дырочный переход пропускает ток только в одну сторону, подобно двухэлектродной лампе. Поэтому такой полупровод н и к о в ы й приборчик и называ
ют кристаллическим диодом. Детектор, о котором мы не раз говорили, — частный случай полупроводникового диода. Электронно - дырочный переход образуется здесь в точке соприкосновения заостренной металлической пружинки с кристаллом галена.
В большинстве же полупроводн и к о в ы х диодов и триодов применяется кристаллическое вещество — германий. Этот химический элемент был открыт создателем периодической системы
Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Менделеев теоретически предсказал существование нового элемента (он был условно назван экасилицием, так как напоминал по своим свойствам
кремний — силиций). Вскоре это вещество добыл немецкий ученый Винклер, назвавший его германием.
Вот как изготовляют германиевый диод. Берут крошечную пластинку химически чистого германия. С одной стороны в нее вплавляют капельку индия, с другой — каплю оловянного сплава. Атомы индия и олова проникают с двух сторон в германий. Индий придает ему дырочную проводимость, а олово— электронную. В толще кристалла образуется электронно-дыроч-ный переход. Полупроводниковый диод изготовлен.
Современные полупроводниковые выпрямители отличаются исключительно высоким коэффициентом полезного действия, до
стигающим 99 процентов. Это значит, что только один процент энергии электрического тока теряется при выпрямлении.
Теперь, когда мы знаем, как устроен и работает полупроводниковый диод, нам будет легче разобраться и в кристаллическом триоде.
Поместим между
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ.
двумя полупроводни-
ковыми пластинками с дырочной проводимостью пластинку, имеющую электронную проводимость. Эту пластинку условно назвали базой, а две другие — коллектором и эмиттером.
Мы получили простейший полупроводниковый триод. В нем не один электронно-дырочный переход, как в диоде, а два. Включим между базой и коллектором батарею так, чтобы про-
вод от ее отрицательного полюса шел на коллектор, а от положительного — на базу. Между эмиттером и базой также включим батарейку, только с гораздо меньшим напряжением, и так, чтобы ее положительный полюс соединялся с эмиттером.
Первый электронно-дырочный переход (между базой и коллектором) закрыт. Здесь образовалась «зона пустыни» — ведь «минус» батареи подключен к дырочному участку полупроводника, а «плюс» — к электронному.
Второй электронно-дырочный переход (между эмиттером п базой) открыт. К электронному участку присоединен «минус», а к дырочному — «плюс». Через переход течет ток. Из эмиттера в базу поступают «дырки». Однако, очутившись там, они оказываются подвержены притяжению отрицательно заряженного коллектора. Часть «дырок» ответвляется и проникает в коллектор. Но как только в «зоне пустыни» появятся пришлые «дырки», электронно-дырочный переход откроется и для тока
более высокого напряжения, создаваемого батареей, которая включена между коллектором и базой.
А что будет, если напряжение на эмиттере изменять — то уменьшать, то увеличивать? Ясно, что при этом будет меняться и ток в цепи коллектора. Значит, колебания напряжения на эмиттере управляют током в коллекторе.
Включим в цепь эмиттера микрофон, а в цепь коллектора — телефонные наушники или громкоговоритель. Вот и готов полупроводниковый усилитель. Мы говорим в микрофон, слабые колебания электрического напряжения на эмиттере управляют вылетом «дырок», те, в свою очередь, изменяют электропроводность коллектора. Напряжение на громкоговорителе также колеблется, но эти колебания намного мощнее, чем в цепи эмиттера, поскольку коллекторная батарея располагает большим Напряжением. И мы слышим усиленный, громкий звук.
Вместо микрофона и громкоговорителя можно включить колебательные контуры. Тогда это будет усилитель высокой частоты. На полупроводниковых триодах можно собрать и весь приемник.
Полупроводниковые триоды отличаются ничтожными размерами (длина одного из таких приборчиков равна 12 миллиметрам, диаметр — 7 миллиметрам), не имеют нити накала и работают при пониженных напряжениях. Поэтому они во много раз экономичнее радиоламп. Обычный батарейный приемник весит 8—10 килограммов и расходует в год до 25 килограммов батарей, которые все вместе стоят почти столько же, сколько стоит он сам. А полупроводниковый приемник такого класса весит всего лишь 100 граммов. Дешевая батарейка весом в полкилограмма будет питать его больше года.
Полупроводниковые приборчики исключительно долговечны — они служат десятки тысяч часов. Срок службы электронных ламп в 10—20 раз меньше.
Прочность полупроводниковых диодов и триодов неизмеримо выше прочности электронных ламп.
Полупроводниковые приборчики выдерживают сильные удары. В рекламных целях помещали полупроводниковый передатчик внутрь молотка, а молотком изо всех сил били по наковальне. И с полупроводниками ровным счетом ничего не делалось!
Благодаря этим замечательным свойствам кристаллические усилители все глубже проникают в современную радиоэлектронику. Уже созданы миниатюрные приемники, в которых нет ни одной лампы. Приемник на полупроводниковых триодах может уместиться в футляре от карманных часов. Нетрудно представить, какое распространение получат в ближайшем будущем такие карманные радиоприемники!
Высокая экономичность полупроводниковых триодов поз
воляет создать передатчики и приемники, не требующие источников питания. Для их работы используется свободная энергия, которой в эфире очень много.
Безбатарейные приемники и передатчики улавливают радиоволны, излучаемые мощными радиостанциями, выпрямляют высокочастотные токи, а полученный в результате выпрямления постоянный ток идет на питание полупроводниковых триодов.
Разработан миниатюрный полупроводниковый радиопередатчик с питанием от... человеческого голоса. Мы говорим в специальный микрофон, который под действием звуковых волн вырабатывает электрический ток. Такие микрофоны существуют. Ток используется нашим передатчиком двояко. Во-первых, он выпрямляется и питает полупроводниковые триоды; во-вторых — модулирует колебания высокой частоты, создаваемые генератором, то есть управляет их размахом, как описывалось в начале книги.
Такой передатчик действует на расстоянии в километр и более. Не правда ли,— умный прибор! Он расчетливо и экономно использует энергию вашего голоса, усиливает его во много раз.
Трудно перечислить все достоинства полупроводниковых усилителей. Но было бы неверным считать, что с электронными лампами уже покончено, что их часы сочтены. Полупроводниковые триоды наряду с достоинствами имеют и крупные, до сих пор не преодоленные недостатки. Они не выдерживают высоких температур (выше 70—80 градусов Цельсия), на их работу влияют колебания температуры. «Потолок» полупроводниковых триодов ниже, чем у радиоламп — лампы способны усиливать колебания гораздо более высоких частот. Даже однотипные полупроводниковые приборчики не вполне похожи друг на друга, в их характеристиках всегда есть различия.
Но вспомните, сколь несовершенны были первые радиолампы, и вам станет ясно, что недостатки современных полупроводниковых приборов — всего лишь «детские болезни» новой техники.
„МОЗГ" И „ГОЛОС" ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКОВ
4 октября 1957 года... В этот день лексикон народов мира пополнился новым словом — теплым и поразительно точным русским словом «спутник».
Ученые предрекали: так будет. И все в это верили. Но вот чудо свершилось. И тогда оказалось, что не так-то просто с ним свыкнуться.
Миллиарды лет Луна была единственным спутником нашей планеты. Этому холодному, серебристо-голубоватому божеству поклонялись наши далекие предки. На протяжении столетий поэты слагали в его честь восторженные гимны. Когда какой-либо сказочный персонаж желал невозможного, он говорил: «Достань Луну с неба!» Но ни в одной, самой хитроумной, самой волшебной сказке вы не найдете пожелания: «Сделай, чтобы на небе было две, три, четыре Луны!»
И вот мы узнаем, что Луна больше не одинока. Дерзновенный человеческий гений создал миниатюрную Луну, подарил Вселенной новое небесное тело.
Человек — покоритель и творец Вселенной!
«Сорок лет я работал над реактивным двигателем и думал, что прогулка на Марс начнется лишь через много сотен лет,—
писал Константин Эдуардович Циолковский.— Но сроки ме-няются. Й верю, что многие из вас будут свидетелями первого заатмосферного путешествия».
И еще: «В одном я твердо уверен — первенство будет принадлежать Советскому Союзу».
Оба эти пророчества сбылись. В космическое пространство руками советского человека запущен первый искусственный спутнцк Земли. А спустя тридцати дней следом за ним отправился в заатмосферное путешествие второй посланец страны Советов.
И, словно отголосок мощных ракетных двигателей, уносивших спутники на орбиту, по всей Земле с молниеносной быстротой прокатилась волца изумления, восторга, благодарности.
«Браво, русские!- — воскликнул Тор Хейердал, норвежский исследователь, прославившийся своим легендарным путешествием на плоту Кон-Тцки. — Гордость первооткрывателей, Колумбов России, пославших свой космический корабль за 900 километров к неизведанным берегам науки, должен осознать и разделить каждый современник этого события, перед которым будут преклоняться потомки».
«Они сделали это, и сделали это первыми...— был вынужден признать американский ученый доктор Джозеф Каплан,— Это нечто фантастическое, и если они могли запустить такой спутник, они смогут запустить и более тяжелые спутники».
Американцам трудно было смириться с нашим первенством. Ведь о намерении создать искусственный спутник во всеуслышание заявили две страны: Соединенные Штаты Америки и Советский Союз. Гордое имя «Авангард» дали американцы своему будущему спутнику. Они не допускали мысли, что могут оказаться позади.
«Сейчас мы выглядим довольно глупо со всем нашим пропагандистским визгом, когда мы утверждали перед всем миром, что не верим их заявлению о том, что им удалось запустить межконтинентальный баллистический снаряд,— сокрушенно признала «Дейли Ньюс».— Любая страна, располагающая научными знаниями и техническим опытом для того, чтобы запустить искусственный спутник и заставить его вращаться,— как это сделали русские,— может использовать «абсолютное оружие» против своего противника».
Что верно, то верно. Любое выдающееся научное открытие можно превратить в орудие смерти и разрушения. В американской печати время от времени появлялись поистине людоедские проекты.
Их авторы ломали головы над тем, как использовать искусственный спутник в будущей войне с Советским Союзом. Неудивительно, что оци рассматривают величайшее научное до
стижение современности в первую очередь как «абсолютное оружие». Но существует пословица: «Бодливой корове бог рог не дает». Неоднократные попытки запуска крошечного американского «Авангарда» заканчивались неудачей: он взрывался.
Лишь 31 января 1958 года американцам удалось вывести на орбиту свой спутник.
Первая советская «Луна» весила 83,6, вторая — 708,3 килограмма, а спутники, запущенные в США,— 14 и 1,5 килограмма.
15 мая 1958 года радио сообщило о выводе на орбиту третьего советского спутника — весом в 1327 килограммов!
Сравнивая советские и американские спутники, нетрудно убедиться, насколько вырвалась вперед наша наука в этой решающей области. Поистине рывок абсолютного чемпиона!
Наши спутники — это летающие научные лаборатории, оснащенные множеством замечательных приборов.
И главная роль в работе «космических лабораторий» принадлежит радиоэлектронике. Можно смело утверждать: не будь радиоэлектроники, не было бы и искусственных спутников.
Первый искусственный спутник представлял собой полированный алюминиевый шар диаметром 58 сантиметров. Внутри шара помещались метеорологическая аппаратура и два радиопередатчика с источниками энергопитания. Снаружи — четыре «уса»-антенны.
Второй советский искусственный спутник Земли — последняя ступень ракеты. В ее головной части располагались: приборы для исследования солнечного излучения, сферический контейнер с двумя радиопередатчиками, источниками питания и другой аппаратурой, а также герметическая (воздухонепроницаемая) кабина с подопытным животным — собакой. Наконец, на самом корпусе ракеты были укреплены приборы для изучения космических лучей.
Третий спутник имеет вид гигантского конуса. Он оснащен совершенной аппаратурой, которая одна весит почти тонну. Сюда входит комплекс приборов для наблюдения за составом атмосферы, космическими и солнечными излучениями, количеством и энергией микрометеоров—мельчайших твердых частичек, бомбардирующих поверхность спутника,— и т. д. Специальные радиоэлектронные автоматы управляют всеми этими приборами, преобразуют результаты измерений в электрические сигналы и передают их на Землю.
Даже из этого скупого описания видно, что спутники «дружат» с радиоэлектроникой. Почетное место в них отведено радиопередатчикам, без которых искусственный спутник был бы нем. Он не смог бы рассказать о том, что делается в космосе.
Радиосигналы, передававшиеся со спутников № 1 и № 2,— непрерывная серия7 телеграфных «точек». Длительность точек и пауз между ними в среднем равна 0,3 секунды. Она может несколько изменяться. Дело в том, что на работу передатчика по особой программе воздействуют приборы, установленные на спутнике. И в зависимости от показаний того или иного прибора, регистрирующего температуру, давление, характер солнечной радиации и т. д., длительность «точек» и пауз чуть-чуть изменяется. Но этого «чуть-чуть» достаточно, чтобы ученые смогли расшифровать «телеграммы» со спутника, зарегистрировать огромное число научных данных, проливающих свет на таинственные процессы, происходящие в космосе.
Современная наука установила, что Солнце испускает широкий спектр электромагнитных волн,— от рентгеновских лучей до метровых радиоволн. Но что могли знать ученые о подлинном характере солнечной радиации, если ее коротковолновая часть — рентгеновские и ультрафиолетовые лучи — почти начисто «съедалась» земной атмосферой, которая для нее не прозрачна.
Между тем коротковолновое излучение Солнца оказывает самое сильное влияние па земную атмосферу. Оно ионизирует молекулы воздуха, рассеянные в верхних слоях атмосферы. Так образуется ионосфера, которая, как мы знаем, играет важную роль в распространении радиоволн.
Состояние ионосферы, концентрация заряженных частиц в ней все время изменяется в зависимости от интенсивности ультрафиолетовых лучей, которая в свою очередь связана с процессами, происходящими на Солнце. Известно, например, что с деятельностью Солнца связаны полярные сияния и магнитные бури — этот бич радиосвязи.
Долгое время процессы, происходящие в ионосфере, не поддавались детальному изучению. Ученые пытались проникнуть в эту область — они посылали в ионосферу ракеты с метеорологическим оборудованием, однако высотные ракеты приносили отрывочные, в значительной мере случайные сведения. Второй искусственный спутник впервые дал возможность провести систематические исследования, позволившие проследить за колебаниями интенсивности ультрафиолетового и рентгеновского излучений.
Прибор, улавливающий эти излучения, содержит особые фотоэлементы со светофильтрами из тончайших металлических и органических пленок. Электрические сигналы, создаваемые прибором, после усиления воздействовали на передатчик и в зашифрованном виде передавались на Землю,
Для экономии энергии питания прибор включался только тогда, когда на один из фотоэлементов падали солнечные лучи. Включение осуществлялось автоматически с помощью вспо-могательного фотосопротивления, соединенного с источником питания. При освещении фотосопротивления его электропроводность резко возрастала, и цепь автоматически замыкалась.
Спутник № 2 оказал неоценимую помощь и в изучении космических лучей. Космические лучи — это потоки атомных ядер различных химических элементов, несущихся со скоростью, близкой к скорости света.Ученые предполагают, что они возникают при взрывах на Солнце и звездах, но точного происхождения космических лучей никто не знает.
Посланцы Вселенной — первичные космические лучи — обладают колоссальной энергией — в миллиарды, десятки, сотни и тысячи миллиардов электроновольт, а иногда и еще большей. Вонзаясь в атмосферу,космические частицы наталкиваются на атомы воздуха и отдают им часть своей энергии. Так образуется вторичное космическое излучение. Вторичные частицы — потомки первичных — в свою очередь не гарантированы от столкновений. Иногда образуется настоящая эстафета — несколько поколений космических лучей передают друг другу энергию, полученную в наследство от первичного излучения. Конечно, энергия космических лучей при этом постепенно падает. Но предположим, что первичная космическая частица счастливо избегает столкновений. Бывает и так. Что тогда? Чаще всего и в этом случае частица не достигает поверхности нашей планеты. Землю окружает энергетический барьер, защищающий нас от губительного действия космических лучей. Этот барьер — магнитное поле Земли. Оно отклоняет космические частицы и нередко отбрасывает их обратно в мировое пространство. Только те частицы первичного космического излучения, которые обладают самой большой энергией, преодолевают энергетический барьер и достигают земной поверхности. Но их не столь много, чтобы причинить нам вред.
Итак, на поверхности Земли мы не можем изучать первичное излучение. Чтобы исследовать его, нужно подняться за пределы атмосферы. До создания искусственного спутника сделать это было невозможно. И ученым оставалось только строить догадки о природе космических лучей.
Второй искусственный спутник позволил исследовать первичные космические лучи в их первозданном виде, не искаженном «кривым зеркалом» атмосферы.
На спутниках № 2 и № 3 имеются электронные приборы — счетчики заряженных частиц. Когда такая частица проходит сквозь счетчик, в нем возникает электрическая искра, создающая импульс на входе усилителя с полупроводниковыми приборами. 214
На выходе этой схемы имеется элемент «памяти», который как бы накапливает усиленные импульсы до тех пор, пока их не наберется определенное число. Тогда схема срабатывает, и по радио передается сигнал. Затем счет начинается сызнова. После того, как опять накопится то же количество импульсов, подается новый сигнал и т. д.
Зная, сколько заряженных частиц заставляют срабатывать схему, зная и время между двумя срабатываниями, легко подсчитать число частиц, проходящих сквозь счетчик в течение секунды, или интенсивность первичных космических лучей.
До запуска искусственных спутников не было ясного представления и о том, как проходят через ионосферу радиоволны. Измеряя силу сигналов в разные моменты времени, ученые смогли оценить поглощение радиоволн в ионосфере. Результаты этих измерений, бесспорно, дадут новый толчок развитию теории распространения радиоволн.
Нельзя не упомянуть о том, что искусственный спутник № 2 впервые позволил исследовать состояние живого организма в космическом полете. Как влияет на организм невесомость? До сих пор это состояние удавалось создать лишь на короткое время, исчисляемое секундами и минутами. Исследования, проведенные над первой космической путешественницей — собакой Лайкой, предоставили в распоряжение ученых ценнейший материал о жизнедеятельности организма в условиях длительной невесомости.
А вот еще одно открытие, сделанное благодаря спутникам. Оказывается, на высотах более 200 километров значительно теплое, чем думали ученые. Теперь перед геофизиками встала новая задача — найти источники этого загадочного нагрева верхних слоев атмосферы.
Важные сведения добудет спутник № 3. Ведь он, кроме всего прочего, исследует магнитное и электрическое поля Земли па больших высотах, измеряет свой собственный электрический заряд и т. д.
Специальные обсерватории наблюдают за движением спутника, ловят его радиосигналы. Быстродействующие электронные машины в предельно короткие сроки обрабатывают огромное количество поступающих данных.
Радио — «мозг» и «голос» искусственных спутников.
Даже в запуске их на орбиту главная забота ложится на плечи радиоэлектроники.
Проследим для начала полот межконтинентальной ракеты. Она состоит из нескольких ступеней, работающих поочередно.
Со стартовой площадки ракета поднимается вертикально. Работает двигатель первой ступени. Спустя строго определенное время первая ступень сбрасывается — в ней не осталось
горючего, она больше ненужна. Автоматически включается двигатель второй ступени. Траектория полета начинает искривляться. Ракета, на которой нет ни одного человека, поворачивает по заранее рассчитанному маршруту. Израсходовано топливо и на второй ступени, ее постигает та же участь, Что и первую. Двигатель третьей ступени выносит ракету на наклонную прямую.
Можно себе мысленно представить невидимый ствол гигантского орудия, пронизывающий атмосферу и заканчивающийся в космическом пространстве. Ракета несется по нему, набирая скорость. Вот сброшена третья ступень, начинает работать последняя — четвертая. Наконец нужная скорость достигнута. Двигатель автоматически выключается. Далее ракета движется как баллистический снаряд — по параболической траектории.
Как же устроен такой ствол? Какие силы вынуждают ракету двигаться строго вдоль него, не отклоняясь в сторону? Само собой, ни сталь, ни какой-либо другой материал здесь не годится. Ведь длина «ствола» сот
ни километров! Из чего же он сделан?
Этот невесомый и вместе с тем необычайно прочный материал... — радиоволны.
Вспомните радионавигацию. Там радиоволны образуют в пространстве невидимую дорожку, по которой летит самолет — равносигнальную зону. Нечто подобное происходит и здесь.
Несколько радиостанций направляют под одинаковыми углами узкие пучки радиоволн. Эти пучки служат как бы стенками ствола, внутри которого проносится снаряд — ракета. В центре ствола — равносигнальная зона. Стоит ракете уклониться в сторону, как интенсивность радиоволн изменится. Приемник, находящийся в ракете, сигнализирует об этом приборам автоматического управления. Последние мгновенно «сработают», и ракета возвратится на центральную линию.
Чтобы «выстрел» межконтинентальной ракетой оказался точен, нужно не только тщательно ее нацелить, но и вовремя, когда будет достигнута нужная скорость, выключить двигатель последней степени. Это делается таким образом.
Вслед за ракетой направляется еще один радиолуч. А на ракете имеется ретранслятор, принимающий сигнал с Земли и тотчас посылающий его обратно. Остальное нам объяснит так называемый эффект Допплера. Это физическое явление состоит в том, что длина волн, излучаемых движущимся источником, изменяется.
Когда мимо железнодорожной платформы с ревом проносится сквозной поезд, тон гудка паровоза резко изменяется. Поезд приближается — высота звука растет, состав удаляет-, ся — тон гудка понижается. С этим можно сравнить изменение частоты принимаемых колебаний; оно тем больше, чем быстрее движется источник колебаний. Значит, по величине этого изменения можно судить о скорости, с какой движется ис-точник волн. Именно так измеряется скорость межконтинентальной ракеты.
Автоматическая аппаратура следит за скоростью ракеты и в нужный момент подает радиосигнал, выключающий двигатель последней ступени.
Траектория полета межконтинентальной ракеты рассчитывается быстродействующими электронными машинами. Радиоствол наводится с колоссальной точностью. Большую часть пути ракета проводит в космическом пространстве, где ее движение не тормозится воздушной средой.
В результате достигается такая меткость,которая немыслима при стрельбе из обычных артиллерийских орудий.
Вот что такое межконтинентальная ракета.
А искусственный спутник — это один из возможных се «пассажиров». Ракета со спутником выводится на орбиту теми же самыми радиометодами. Только здесь разгон происходит не по наклонной прямой, а по горизонтали,.
Ракета взмывает вертикально на полную высоту и уже за пределами земной атмосферы круто переходит в горизонтальный полет.
Создать такой «ствол» намного труднее. Для этого нужна сложная система радиостанций с движущимися лучами, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Лучи перекрещиваются в точке, где находится в данный момент ракета. Нечто подобное можно наблюдать, когда несколько прожекторов одновременно «поймают» самолет. Только лучи прожекторов перемещаются вслед за самолетом, а радиолучи ведут ракету, управляют ее разгоном. Представляете, какая здесь требуется точность и согласованность!
В Америке писали, что «построенный русскими электронный мозг работал безупречно в моменты полета, корректируя любые отклонения, и бесперебойно отделял различные части ракеты - носителя. По общему мнению , создание спутника навеки уничтожило западное представление о том, что русские не могут сравниться с Соединенными Штатами в области электроники».
Максимальное удаление второго пскусственного спутника от поверхности Земли превышало 1500, а третьего —1880 километров. Время одного полного оборота соответственно было около 1 часа 42 минут и 1 час 46 минут. Вокруг света менее чем за два часа! Трудно свыкнуться с этими цифрами. Но и они не предел. Мы в состоянии послать более тяжелые спутники на большую высоту. Недалеко то время, когда будет осуществлен облет Луны, и с помощью телевидения человек впервые увидит ее обратную сторону, дотоле скрытую от наших глаз.
Наконец, скоро мы научимся возвращать искусственные спутники на Землю. Ведь из радиоволн можно построить не только ствол, но и воронку, в которую будут «закатывать» миниатюрную Луну, когда это потребуется.
А затем начнется эра межпланетных перелетов. Космические корабли понесутся по дорогам, проложенным радиоволнами.
Наконец в более отдаленном будущем человек создаст «звездолет» и вырвется за пределы солнечной системы. Ученые уже
вынашивают идею фотонной ракеты, движущейся со скоростью света. Раз существует световое давление (мы говорили об этом в начале книги), значит, его в принципе можно использовать для создания особого ракетного двигателя. Скорость ракеты тем больше, чем быстрое истекают из ее сопла газы, образующиеся при сгорании топлива. В фотонной ракете роль газовой струи будет играть поток фотонов — частичек света. Отсюда и баснословная скорость.
Когда и как удастся осуществить фотонную ракету, мы еще не знаем.
Завоевание космоса — одно из самых ярких звеньев в триумфальном каскаде открытий, сделанных благодаря радиоэлектронике.
ПОСЛЕСЛОВИЕ
В фантастической повести «451° по Фаренгейту» американский писатель Рей Бредбери пытается представить свою родину в XXI веке.
...Технический уровень здесь необычайно высок. Примечательна деталь: в Америке XXI века давно забыли о пожарах, как о стихийном бедствии — дома покрыты огнезащитным слоем; между тем по улицам городов с ревом носятся пожарные машины. Дело в том, что пожары стали здесь необходимостью, разжиганием их занимаются «пожарники». Что же подвергается огню? Книги. Америка XXI века панически боится печатного слова. Книги, впитавшие по каплям океан мыслей, книги, реально воплотившие многовековую человеческую культуру, заставляют думать! Правители страны отлично сознают это.
«Книга — это заряженное ружье в доме у соседа. Сжечь ее! Разрядить ружье! Надо обуздать человеческий разум»,— заявляет один из них.
В головы простых американцев сызмальства вдалбливается: «Жизнь коротка. Что тебе нужно? Прежде всего — работа, а после работы развлечения, а их кругом сколько угодно, на 220
каждом шагу, наслаждайтесь! Так зачем же учиться чему-нибудь, кроме умения нажимать кнопки, включать рубильники, завинчивать гайки, пригонять болты?»
... Миллионы американцев, заткнув уши миниатюрными радиоприемниками-ракушками, предаются наркотическому дурману, исторгаемому радиостанциями. Экраны телевизоров распластались во всю ширину стен. Объемное, многокрасочное изображение уводит зрителя в призрачный мир.
«На одной из трех телевизорных стен какая-то женщина одновременно пила апельсиновый сок и улыбалась ослепительной улыбкой... На другой стене видно было в рентгеновских лучах, как апельсиновый сок совершает путь по пищеводу той же дамы... Вдруг гостиная ринулась в облака на крыльях ракетного самолета; потом нырнула в мутно-зеленые воды моря, где синие рыбы пожирали красных и желтых рыб. А через минуту три белых мультипликационных клоуна уже рубили друг другу руки и ноги под взрывы одобрительного хохота. Спустя еще две минуты стены перенесли зрителей куда-то за город, где по кругу в бешеном темпе мчались ракетные автомобили, сталкиваясь и сшибая друг друга».
А по ту сторону телевизорных стен, в небе проносятся стрелы реактивных бомбардировщиков, парят полицейские геликоптеры, и на пустынных улицах механические псы со смертоносным жалом — потомки безобидной кибернетической черепахи—охотятся за «преступниками».
«Наш пес,— замечает брандмейстер Битти (один из главарей и идеологов «пожарников»),— это прекрасный образчик того, что может создать человеческий гений. Усовершенствованное ружье, которое само находит цель и бьет без промаха».
Вот о таких роботах, в которые можно вложить любой преступный замысел, мечтал Адольф Гитлер.
Этим роботам фантазия Бредбери отводит ведущую роль в американском образе жизни будущего.
Один заокеанский мракобес от науки разработал недавно целый «проект» превращения людей в кибернетические устройства: он предлагал вводить в мозг новорожденного особый электрод и подавать на него комбинации импульсов...
Но не людям-роботам и не кибернетическим псам принадлежит будущее! Оно принадлежит человеку-творцу.
Мы знаем, что любое научное открытие может быть использовано во имя добра или зла, в целях разрушения или, наоборот, созидания.
Атомная энергия может сметать города или воздвигать их. Кибернетическая собака способна охотиться за людьми или служить провожатым для слепого.
Межконтинентальная ракета может нести смертоносный водородный заряд или мирную, полезную для всего человечества ношу — искусственный спутник Земли.
Все зависит от самих людей. А большинство их хотят мира. Люди хотят наслаждаться плодами своих великих побед над природой.
Йо над крыщами миллионов мирных жителей на Западе летают груженные ядерными бомбами американские самолеты.
Выдающиеся открытия современности тупой и алчный империализм жаждет превратить в пистолет, направленный против свободы и счастья народов. Нужно вовремя перехватить руку, которая потянется к страшному курку. Вот почему страстный призыв Юлиуса Фучика: «Люди, будьте бдительны!» — звучит в наши дни подобно набату.
Пусть же все, о чем писал Бредбери, останется лишь предостережением — вроде черепа со скрещенными костями, изображаемого па дверях трансформаторных будок. Так не должно быть! И, мы верим,— не будет.
Мир будущего — это мир, в котором все — для человека!
Телевизорные стены? Ну что же, мы от них не откажемся. Все дело в том, как их использовать. Они помогут нам и развлечься, и познать красочное многообразие мира. Но разве телевидение, каким бы совершенным оно ни стало, заменит книгу? Книгу-друга, книгу — источник знаний, сокровищницу мысли. Может быть, на смену обычной, напечатанной йа бумаге книге придет новая, более совершенная, радиоэлектронная книга. Но все же это будет книга. Она донесет до наших потомков и «Одиссею» Гомера, и «Слово о полку Игореве», и незабываемые пушкинские строки.
Было бы нелепо думать, что научные открытия, технический прогресс со временем избавят люден от необходимости трудиться,что роль человека сведется к нажиманию кнопок кибернетической машины. Нет, труд всегда останется в человеческой жизни самым главным, самым благородным делом.
Когда-то высказывалось опасение, что с годами музыкальные мелодии иссякнут. Й что же? Каждый день приносит нам новые, своеобразные, свежие напевы. Говорили о вырождении шахматной игры, о том, что шахматы ожидает «ничейная смерть». А у нас, что ни год, появляются новые гроссмейстеры, развивается шахматная теория.
Нет, «ничейная смерть» нам не грозит. Формы труда все время совершенствуются, труд становится все более творческим. От землекопа требовалась лишь мускульная сила, выносливость, а машинист экскаватора обязан в совершенстве знать сложную машину. Неудивительно, что, например, студентам
год от года приходится Труднее. Объем знаний растет, да и сами знания непрерывно углубляются.
Открытия, о которых рассказывает эта книга, показались бы человеку относительно Недавнего прошлого невероятными.
Но мы-то с вами знаем, что эти открытия — реальная действительность, что наши предки попросту не моТлй предвидеть колоссальных успехов науки.
То же скажет о нас человек будущего.
Потому что никогда не остановится поступь науки.
Потому что человеческое познание беспредельно!
СОДЕРЖАНИЕ
От автора . . . ........................................ 3
Как человек приручил волну
О чем эта книга......................................... 9
Рождение эпохи..........................................11
Быстры, как волны.......................................17
«То же, только без кошки»...............................26
Недвижимый маятник......................................31
Волшебная лампа.........................................35
Разговор на весь мир....................................47
Вторая «метаморфоза»....................................55
Путешествие по эфиру....................................61
Потомок картонного диска................................70
Сквозь туман и метель ..................................86
Радиоэлектроника всюду
Из пушки по ядру........................................95
Человек и его слуги....................................102
Сто профессий «мыслящей» машины........................1(9
Радио странствует......................................127
Радио указывает дорогу.................................135
Как подслушали разговор звезд..........................142
В недрах микромира.....................................146
На страже времени......................................150
Звуки, которых пе слышно...............................156
Законсервированный звук................................160
Радиомузыка............................................166
Пойманные вибрации.....................................169
Радио печатает книги...................................173
Радиоприемник, отпечатанный в типографии...............175
Печь «чудо»............................................177
Целебные волны.........................................182
Проводник наполовину...................................189
Соперник «волшебной» лампы.............................204
«Мозг» и «голос» искусственных сну тиков...............210
Послесловие............................................220
Александр Филиппович Плонский КАК ЧЕЛОВЕК ПРИРУЧИЛ ВОЛНУ
Редактор Ю. Э. Беренсон. Худо ж редактор В. В. Щукина Технический редактор Н. Л. Ю с ф и н а. Корректор А. Н. Рябов Сдано в набор 1I/III-58 г. Подписано к печати 8/IX-58 г.
Формат бумаги 60 х 92/1в. Физ. печ. л. 14 + 4 вкл.
Уч.-изд. л. 12,55. Изд. индекс НП.-61. АО 8516. Тираж 50 000 экз.
Заказ № 1764. Цена 7 р. 20 к. в переплете
Издательство «Советская Россия», Москва, проезд Сапунова, 13/15.
Москва, Г-19, ул. Маркса и Энгельса, 14, на Книжной фабрике им. Фрунзе Главиздата Министерства культуры УССР, Харьков, Донец-Захаржевская, 6/8.
Под научной редакцией члена-корреспондента Академии наук СССР
В. И. СИ Ф О Р О В А
Оформление художника В. Е. О ф ф м а н а Рисунки художников Л. С. Вендрова и Л. П. Г л а д п е в о й
Вкладки художника В. Н. Добровольского Заставки художника С. Я. Нодельмапа
ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА SHEBA.SPBPU/ZA
Хочу всё знать (теория) ЮНЫЙ ТЕХНИК (ПРАКТИКА) ДОМОВОДСТВО (УСЛОВИЯ)