Физика для "чайников"
Шрифт:
Вкратце и поумнее: переменный ток - это электрический ток, сила которого изменяется во времени. Наиболее часто используется ток, меняющийся по гармоническому закону: I = I0*sin(wt), U = U0*sin(wt+ф). Действующее значение силы тока и напряжения - это такое значение силы тока (напряжения) постоянного тока, при котором он совершает такую же работу, как и переменный ток за один полный период. При гармонических колебаниях Iд = I0/корень квадратный из 2, Uд = U0/корень квадратный из 2. Мощность, даваемая переменным током, при гармонических колебаниях описывается формулой: P = (I0*U0*cosф)/2 = Iд*Uд*cosф, где ф - сдвиг по фазе между током и напряжением; на практике стремятся повысить косинус фи максимально близко к единице. Трансформатор - устройство, состоящее из двух катушек индуктивности, соединённых магнитопроводом. Трансформатор позволяет существенно увеличить или снизить напряжение, сохранив при этом мощность и частоту переменного тока. Коэффициент трансформации (k) - отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной. При k > 1 трансформатор называется повышающим, при k < 1 - понижающим.
Это всё хорошо, но зачем говорить о переменном токе, когда его получают только на электростанциях? Сидели бы себе там тихонько да передавали б нам, а нас и постоянным неплохо "кормят". Не всё так просто! На переменном токе построено очень много устройств радиотехники - начиная от обычного бытового радиоприёмника, продолжая радаром, заканчивая спутниковым телевидением (впрочем,
Самый простой способ, при котором "искусственно" можно получить переменный ток (я специально беру это в кавычки, потому что переменный ток в естественных условиях я до сих пор не могу представить - если только это не удар током от электрического угря или ската), называется колебательным контуром, но выглядит просто: это катушка и конденсатор, соединённые последовательно. Если на конденсатор подать заряд, то он начнёт разряжаться на катушку, через ту потечёт ток, в конце концов конденсатор разрядится окончательно и заглохнет, но ток в катушке от этого не прекратится! В результате он начнёт перезаряжать конденсатор "с другой стороны", зарядом другого знака, катушка постепенно станет размагничиваться, а конденсатор - снова заряжаться. Это и будет одно полное колебание, дальше всё повторяется. Период этих колебаний можно посчитать, зная всего лишь две величины: индуктивность катушки и ёмкость конденсатора. Как именно он считается, вывел товарищ по фамилии Томсон (не тот, который автомат придумал - тот Томпсон, а этот без "п"), и период считается так: T = 2пи*корень квадратный из (L*c). Я не знаю, почему 2пи, но связь между радианами (якобы "углами") и числами, которая заставляет использовать число пи снова и снова, преследует повсюду! Тут более важно другое: можно подобрать сколько угодно разных емкостей и индуктивностей, но если их произведение будет одно и то же - такой колебательный контур будет иметь один и тот же период, или одну и ту же частоту. Кстати, раз речь зашла о частоте - удобнее выкинуть эти 2пи, тогда придётся воспользоваться циклической частотой: w = 1/корень квадратный из (L*c).
Если поставить три основных используемых элемента в цепь - проводник с сопротивлением, конденсатор, катушку - то можно увидеть следующую их реакцию на переменный ток. Обычное сопротивление как выделяло тепло, так и выделяет, ничего полезного от него по-прежнему не добьёшься, разве что в терминах переменного тока оно теперь обзывается активным сопротивлением, считается оно точно так же. Конденсатор и катушка же обладают "реактивным" сопротивлением, которое вроде как тоже току сопротивляется, но тепло при этом выделяет не так живо, плюс они запасают энергию. Посчитать их можно так: Xc = 1/(w*c), XL = w*L. Xс - реактивное сопротивление конденсатора, w - циклическая частота, c - ёмкость конденсатора. XL – здесь это вовсе не размер одежды, а реактивное сопротивление катушки. L - её индуктивность, w - по-прежнему циклическая частота. Как видно, с изменением частоты это сопротивление тоже меняется. И снова кивок в сторону постоянного тока, когда w = 0: в этом случае Xc будет близко к бесконечности (да-да, делить на ноль нельзя, но мы прямо на ноль не делим, а смотрим, куда значение будет стремиться, если знаменатель постепенно приближать к нулю) - то есть конденсатор постоянный ток не пропускает. А у катушки XL будет стремиться к нулю - то есть она будет вести себя как обычный металлический провод с маленьким сопротивлением.
Если проводить дальнейшую аналогию с механикой, то в идеале электрические колебания - свободные. Но мир неидеален, и часть энергии катушки или конденсатора уходит всё в то же вездесущее тепло - то есть колебания со временем затухают. Соответственно, в идеале их придётся время от времени поддерживать - это будут вынужденные колебания. Дак вот, и у таких вынужденных колебаний тоже есть резонанс. Определяется он так же, как и в механике - увеличение амплитуды вынужденных колебаний в контуре при совпадении собственной частоты этих колебаний с частотой колебаний внешних, которые воздействуют. А теперь всё это же переведу на русский язык: есть радиоприёмник. У него внутри запрятан колебательный контур; двигая подстраивающий ползунок на радиоприёмнике, мы как бы сдвигаем или раздвигаем обкладки конденсатора, меняя его ёмкость (и тем самым меняем частоту колебательного контура, "подстраивая" её). Когда частота принимаемых радиосигналов (не видимых нам) становится близка к частоте подстраиваемого нами контура, мы начинаем слышать тихие звуки с помехами. Если покрутить ручку ещё, то звук станет очень чётким и будет гораздо громче. Это и будет означать, что мы вошли в резонанс - частота контура стала равна частоте радиосигнала, и итоговые колебания, в конце концов превращающиеся в звук, стали гораздо больше по амплитуде (звук стал громче). Именно на принципе резонанса построены приёмники радиосвязи. Частота, при которой такое происходит, называется резонансной, она равна 1/корень квадратный из (L*c), и что любопытно - оба реактивных сопротивления при резонансе оказываются равны! То есть Xc становится равно XL - собственно, из этого и получается, что резонансную частоту можно посчитать при помощи корня.
Ну хорошо, мы все такие радостные, приняли сигнал - а сам сигнал-то откуда взялся, явно не из космоса прилетел? (Хотя бывает, что именно радиоприёмником удаётся поймать какой-нибудь сигнал странного происхождения, о чём потом пишут в газетах.) А это скажем спасибо электромагнитным волнам, собственно, благодаря которым и получается передавать сигналы по воздуху без проводов. Потому что, в отличие от волн звуковых, они в воздухе почти не затухают и могут лететь долго-долго. Вот волны уже как колебания тока и напряжения не представишь, тут обычно рисуют умную картинку с изменяющимися по синусу векторами E и B, причём B колбасит "по полу" (горизонтально), а E - "по стене" (вертикально), то бишь они обе колеблются перпендикулярно друг другу. Расстояние между максимумами любой из этих синусоид (они и так обе одинаковые) будет длиной волны (лямбда). Как возникает волна, сообразить просто: нужно заставить или одно, или другое поле меняться по синусу. В итоге изменяющееся одно поле потащит за собой другое, другое схватит за руку первое, и так они и будут идти рука об руку до бесконечности. (Нет, электромагнитная волна тоже умеет затухать и ослабевать, но местами делает это гораздо слабее, чем волна механическая.) Скорость распространения этой волны в воздухе примерно равна скорости света - 300 тысяч километров в секунду, или 3*10^8 м/с. Эта скорость даже обозначается своей буквой - c. Да, опять с маленькая, не перепутать бы её с ёмкостью или теплоёмкостью. (Но редко бывает так, чтобы в одной задаче фигурировали хотя бы две из таких "c", а чтоб все три сразу - такого, наверное, вообще нет.)
Вот с таким багажом знаний можно уже и сообразить, по каким принципам устроена радиосвязь. По логике, надо выплюнуть электромагнитную волну с одного конца, затем принять её при помощи резонанса на другом. Так-то оно так, только обычная волна с какой-то заданной длиной волны (или частотой, что при всегда постоянной скорости волны будет означать одно и то же, по сути) не будет нести в себе никакой информации - ну приняли мы её, ну получили большой ток, и что? Как его использовать? Для этого применяют штуку с очень мутным названием - модуляция. Представить это можно так: нам надо передать механическое колебание звуковой частоты, используя электромагнитную волну. Звуковая частота медленная и грузная, пока в воздухе долетит - затухнет. Это всё равно, что пытаться переплыть океан обычным плаванием. Нет, посадим-ка мы его на транспорт, на более высокочастотное колебание, к тому же не затухающее в воздухе (электромагнитную волну). Это будет всё равно, что посадить
Всё. Вот теперь, если "автоматизировать" такой процесс и выплёвывать волну с такой меняющейся характеристикой, то потом её можно будет принять, и... что? Просто так, сразу, на выход её не дашь - получится что-то вроде буквального чтения зашифрованного сообщения. Теперь его надо "расшифровать", или демодулировать. Это уже обратный процесс: смотрим, как меняется частота (при частотной модуляции, конечно) принимаемой электромагнитной волны, и на основе этого соображаем, как будет меняться выдаваемый динамиком звук - его громкость, высота и т. д. Итог - на радиостанции сидит ди-джей и говорит что-то в микрофон, электромагнитный передатчик с радиостанции плюётся волной на всех и вся вокруг, и те товарищи с радиоприёмниками, которые настроятся на частоту именно этой радиоволны, будут слышать, что говорит ди-джей, в прямом эфире.
К слову, выражение "в прямом эфире" или "в эфире" появилось потому, что раньше народ думал, будто электромагнитные волны являются колебаниями этого самого непонятного "эфира". Потом, правда, его существование опровергли, но если я заведу разговор об этом, это превратится в кучу писанины ещё на лишних несколько страниц. А напоследок - вещи, которых в школе не спрашивают, но любопытно знать. (Для ленивых: дальше вплоть до конца абзаца можно не читать, это уже скорее для общего образования.) Очень многие виды энергии, которые называются совсем не электрическим словами, переносятся тоже посредством электромагнитных волн! Просто у каждой из них разные длины волн. Это у звука (механических волн) всего три-четыре градации, а здесь их ух сколько! Если идти "слева направо", по уменьшению длин волны и увеличению частоты, то получится следующая картина.
Самая низкая частота - до десятков тысяч герц - это так называемые длинные волны. Толку с них особо нет, особо не применяются. Длина таких волн - от бесконечности до единиц километров. Повыше начинаются уже радиоволны, которые используются в разных отраслях радиосвязи, это примерно от сотен килогерц до сотен мегагерц. (Цифры перед обозначением FM в частоте радио означают не частоту в кило- или мегагерцах, это просто обозначение на условной шкале, принятой для радиовещания - диапазон частот, который используется "от" и "до", указывают "сверху", с государства.) Сюда входит всё, начиная связью по ручной мини-рации, продолжая телевидением и заканчивая частотами военных раций. От сотен мегагерц до единиц гигагерц начинаются волны длиной порядка дециметра (10 см), после них начинается СВЧ-диапазон ("СВЧ" означает "СверхВысокие Частоты") - волны на этих частотах держат на себе мобильную связь, беспроводной интернет, помогают греться еде в микроволновке и используются в радарах. Так продолжается до единиц терагерц (длина волны от 1 мм до 0.1 мм). На ещё более высоких частотах в герцах перестают считать, используют больше длину волны. Так, примерно с 1.5 ТГц, или 2000 мкм (микрометров), условно начинают отсчитывать так называемое инфракрасное излучение. Оно не красное, как любят показывать в рекламах или научно-фантастических фильмах! Оно тоже невидимое, как и все предыдущие электромагнитные волны. Такие волны возникают, если тело просто нагрето. Это обыкновенное тепловое излучение. Да-да, когда ты греешь еду на плите и, держа руку над ней, чувствуешь тепло, это в руку вонзаются электрическое и магнитное поля! Дальше ещё веселее. Примерно на 740 нм (нанометров, это одна тысячная микрометра, или одна миллиардная (10^-9) метра) излучение начинает быть... видимым! Это тот самый свет, который мы видим. Красненький - самая большая длина волны, фиолетовый - самая маленькая. Белый свет - это смесь всех цветов радуги (красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый; причём голубой и синий цвета часто объединяют в синий), то есть куча-куча электромагнитных волн с кучей разных длин. Так продолжается примерно до 380 нм, когда фиолетовый свет потихоньку снова становится невидимым и превращается в ультрафиолетовый (примерная аналогия со звуком: "инфра"красный - значит "до красного", "ультра"фиолетовый - значит "после фиолетового"). Это излучение уже обладает такой энергией, что способно убивать бактерии (ультрафиолетом, к примеру, можно обеззараживать воду). Ближе к десяткам нанометров ультрафиолет становится настолько ядрёным, что своей энергией способен оторвать электрончик от атома, и излучение с длиной волны меньше, чем ультрафиолет, называют ионизирующим (ионизация - это и есть отрыв электрончика от атома). Таких видов излучений именно электромагнитного происхождения известно пока два: это рентгеновское и гамма-излучение. Рентгеновское излучение простирается по длинам волн от десятков нанометров до сотых долей нанометров, гамма - всё, что ниже сотых долей нанометров. Считается, что рентген получают на специальных аппаратах - рентгеновских трубках, а гамма-лучи получаются в результате внутриатомных разборок. Каких именно - это вопросы к атомной и ядерной физике, о которых в самом конце. (Радиация - это тоже ионизирующее излучение, но это не один поток лучей, а тоже целый "букет", набор разношёрстных гадостей, каждая из которых ионизирует по-своему, и не все из них - электромагнитные волны. Об этом тоже ближе к концу.)
Чётких границ между всей этой кучей диапазонов, строго говоря, нет. Электромагнитную волну длиной 10 нм ровно можно одинаково отнести как к ультрафиолету, так и к рентгену.
Вкратце и поумнее: колебательный контур - это электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности. При сообщении конденсатору заряда в контуре возникают электромагнитные колебания. Период этих колебаний составляет: T = 2пи*корень квадратный из (L*c). Активное сопротивление в цепи переменного тока показывает, какое количество энергии будет потеряно в виде тепла. Считается так же, как сопротивление проводника на постоянном токе (R = ро*l/S). Конденсатор и катушка имеют реактивное сопротивление. Емкостное сопротивление равно: Xc = 1/(w*c), где w - циклическая частота колебаний контура, c - ёмкость конденсатора; индуктивное сопротивление составляет: XL = w*L, где w - циклическая частота колебаний контура, L - индуктивность катушки. Резонанс в колебательном контуре - это увеличение частоты вынужденных колебаний контура при совпадении собственной частоты этих колебаний с частотой колебаний, их поддерживающих. При резонансе реактивные сопротивления катушки и конденсатора равны, резонансная частота считается по формуле w = 1/корень квадратный из (L*c). Электромагнитная волна - колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве. Скорость распространения электромагнитной волны в воздухе примерно равна скорости света - 3*10^8 м/с, обозначается буквой c. Принципы радиосвязи: получение незатухающих электромагнитных колебаний, модуляция этих колебаний полезным сигналом, распространение электромагнитной волны на расстояние, приём электромагнитной волны, демодуляция полученных электромагнитных колебаний, наслаждение полученным результатом.