ГЛАВА 4. Устремленные в пространство.
“Незнайкин”: Наконец-то ты вновь удостоил меня аудиенции!...
“Аматор”: О милорд, какой изысканный стиль! Ты случайно не перечитал “Трех мушкетеров”, пока мы не виделись?
“Н”: Ты почти угадал — “Одиссею капитана Блада”!
“А”: Я так и понял по твоему высокому слогу! Кстати, я тоже очень уважаю книги о капитане Бладе! Но благородный и великолепный пират жил в буколическую эпоху! Когда медленное считалось быстрым!
“Н”: Что ты хочешь сказать?
“А”: В те времена новости из Америки в Европу шли, вернее плыли, месяцами! Скорость доставки информации была равна скорости хода каравеллы или галеона!...
“Н”: В то время как сейчас для этого достаточно секунд!
“А”: Долей секунды, дружище, долей секунды!
И все благодаря свойствам ... открытого колебательного контура!
“Н”: Какого это — открытого? Простите, сэр! Следующий раз захвачу словарь, сэр!
“А”: Хороший (в буколические времена говорили — добрый) учебник или пособие по радиотехнике помогло бы тебе больше! ОТКРЫТЫЙ КОНТУР — это просто техническое название для ПЕРЕДАЮЩЕЙ и ПРИЕМНОЙ антенн!
“ Н”: То есть мы сейчас вплотную подошли к вопросу о возникновении, распространении и возможности ПРИЕМА РАДИОВОЛН!?
“А”: Да пора уж! Представь себе, что мы преобразовали колебательный контур таким образом, что он принял следующий вид (см. рис. 4.1). Здесь, фактически, мы имеем не один, а два колебательных контура. Первый — это контур, образованный С и L резонансная частота которого f 0 равна частоте генератора Uсигн. Обмотки L1 и L2 связаны индуктивно. Поэтому во втором контуре также возникают колебания с частотой f0...
“Н”: Относительно первого контура вопросов не имеется. Но вот где ты увидал второй контур? Я лично вижу только обмотку L 2!
“А”: Но ты не можешь не видеть, что верхний конец L, переходит в некий проводник, который оканчивается точкой А?
“Н”: Вижу... Но что дальше?
“А”: А то, что это и есть второй, открытый колебательный контур! Его емкость является распределенной. То есть она образована как бы из множества малых емкостей между различными точками антенны и землей!
“Н”: Выходит, что L 2 входит в состав ЦЕПИ АНТЕННЫ?
“А”: Ну конечно! А упомянутый уже вертикальный проводник — это ни что иное, как антенный штырь!
Его длина может варьироваться в разных случаях от нескольких сантиметров до сотен метров! Да и само устройство антенны в реальности может быть исключительно сложным по своей конструкции!
“Н”: Но если это и есть антенна, то она должна каким-то образом принимать близкие и далекие радиостанции. Разве нет?
“А”: Верно! Однако в данном случае она не принимающая, а передающая. Попробуем представить себе, что при этом происходит... Видишь, на рис. 4.2 я изобразил только непосредственно антенну и то в очень упрощенном виде? 
“Н”: А что представляют из себя концентрические кольца, параллельные земле и названные тобой Н, а также “серпантин”, обозначенный, как Е? И почему, если я правильно понял, они носят ВЕКТОРНЫЙ ХАРАКТЕР!?
“А”: Е — это вектор напряженности электрического поля. Соответственно Н —вектор напряженности магнитного поля. Знак вектора дает нам ясно понять, что эти поля могут быть ориентированы относительно поверхности земли под самыми различными углами.
Но вот между собой они ВСЕГДА взаимоперпендикулярны! Но на рисунке присутствуют еще и токи I1, и I 2. Ты мне не скажешь, что они из себя представляют?
“Н”: Очевидно, под воздействием не показанного здесь первичного контура, вдоль по длине антенного штыря циркулируют токи Ij и I 2, представляющие собой перемещена посредством индукции, электрического заряда то в направлении ОТ земли точке А, то в ОБРАТНОМ! Естественно, с частотой f0!
Выходит, в точке А то наблюдается “избыток” электронов, то их “недостаток”! В пользу моих слов говорит и тот факт, как при этом направлен силовые линии электрического поля...
“А”: Вот она — моя награда за потраченные труды! Совершенно верно. Иначе говоря — антенна есть инструмент для преобразования переменного напряжения и тока в энергию электромагнитного поля, способную свободно распространяться в пространстве!
“Н”: А вот чего я, дружище, не могу понять... Все-таки, почему порождаемые вокруг антенны электромагнитное поле не просто циркулирует, а способны как бы “оторваться” и унестись навсегда?
“А”: Браво, Незнайкин! Ты задал сейчас очень глубокий вопрос! Недавно мы беседовали на эту тему со Спецом! Это была интересная беседа. Действительно, ведь токи в той же антенне имеют вполне обратимый характер. То вверх, то вниз, то они вообще равны нулю... Электромагнитное поле могло бы тоже циркулировать, то распространяясь в пространстве ОТ антенны в один из полу периодов, то стремясь к антенне в другой полупериод...
“Н”: А как думает Спец?
“А”: Он сказал, что категорического, строгого объяснения этому факту - не существует!
Но мы должны благодарить Бога и Природу за то, что электромагнитное поле в виде электромагнитных волн способно покидать антенну и уноситься в бесконечность!
Именно этот эффект, по большому счету, делает возможной не только радиосвязь, но и саму жизнь на Земле!
А возможно и вообще во Вселенной!
“Н”: Даже вот так вот!?
“А”: Даже вот так вот! Но продолжим наши игры! Ты, безусловно, слышал что “покинув” передающую антенну, электромагнитные волны СО СКОРОСТЬЮ СВЕТА распространяются в пространстве! Если передающая антенна является ИЗОТРОПНОЙ, то интенсивность электромагнитной энергии уменьшается ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО КВАДРАТА РАССТОЯНИЯ!
В случае если антенна обладает направленностью, то есть является АНИЗОТРОПНОЙ, то эта зависимость может быть несколько иной. Но, в любом случае, чем дальше точка приема находится от передающей антенны, тел меньше интенсивность электромагнитного поля в ней! Наводимого этой передающей антенной, разумеется.
“Н”: Это понятно! Ну, а как устроена приемная антенна?
“А”: Подумай сам! Я подскажу тебе — это обратимое явление.
“Н”: Но если это явление , обратимое, то тогда, поместив штырь (металлический) в точку, удаленную от передающей антенны на некоторое расстояние, мы вправе ожидать, что электромагнитное поле НАВЕДЕТ в этой ПРИЕМНОЙ АНТЕННЕ токи, имеющие туже частоту, что и породившие их электромагнитные волны!
“А”: Достойный ответ! Ты только не уточнил, что по своей величине эти ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ токи являются исключительно малыми! Их реальное амплитудное значение — не более нескольких десятков милливольт! И это еще исключительно много! Чаще всего — на порядок меньше. А то и два-три порядка.
“Н”: А почему ты употребил слово — высокочастотные? А низкочастотных разве нет?
“А”: Действительно! Давай определимся в понятиях! В Природе существуют электромагнитные колебания с самыми разнообразными длинами волн или, что адекватно, с самыми различными частотами!
Видимый свет — это ведь также электромагнитные волны длина, которых измеряется нанометрами! Например, красный цвет характеризуется длиной волны — 630 нм. Или 2х10 14 герц!
То есть ДВЕСТИ ТЫСЯЧ МИЛЛИАРДОВ полных периодов в секунду!
“Н”: Да это считать не пересчитать!
“А”: И то , правда Незнайкин! Ведь если представить себе некое существо, которое не ест, не спит, не развлекается, а только подсчитывает это число со скоростью одна единица в секунду, то ему потребовалось бы примерно ШЕСТЬ МИЛЛИОНОВ ЧЕТЫРЕСТА ТЫСЯЧ ЛЕТ! И все для того, чтобы зафиксировать — сколько раз в секунду изменяется направленность векторов магнитного и электрического!
“Н”: Но ведь это уже не радиодиапазон?
“А”: Что правда, то правда! Генерация и прием электромагнитных колебаний подобных частот осуществляются особыми, не радиотехническими методами! А собственно радиодиапазон ограничен сверху частотами порядка ДЕСЯТЬ В ДВЕНАДЦАТОЙ СТЕПЕНИ ГЕРЦ!
“Н”: Ну, а снизу?
“А”: Это очень сложный вопрос! Дело в том, что сверхнизко частотные колебания имеют свои особенности. Представь, например, длину волны электромагнитного колебания Зх10 13 километров!
Они соответствует частоте f = 10-8 герц! Это означает, что ОДИН ПОЛНЫЕ ПЕРИОД такого колебания — около ТРЕХ ЛЕТ! То есть длина волны составляет приблизительно ОДИН ПАРСЕК!
Ты ведь встречался с подобной единицей длины в фантастических романах
“Н”: Было дело в Грибоедов... Неужели есть радиостанции, оперирующие с такими чудовищными волнами?
“А”: Расслабься, Незнайкин! Человечество еще не в состоянии оперировав не только с такими, но и в сотни раз большими длинами волн! Но кто сказал, что их не существует во Вселенной?
В семидесятых годах (нашего столетия, естественно) в США широко обсуждался проект, получивший наименование “САНГВИН”. Речь шла о возможности осуществления связи с атомными подводными крейсерами. Для того чтобы передать приказ на нанесение, в случае необходимости, ответного атомного удара по СССР!
При этом исходили из того, что подлодка находится на МАКСИМАЛЬНОЙ ГЛУБИНЕ в несколько сотен метров в ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТОЧКЕ МИРОВОГО ОКЕАНА! Оказалось, что это возможно осуществить, если для подобной односторонней связи использовать СВЕРХДЛИННЫЕ ВОЛНЫ, частота которых несколько меньше СТА ГЕРЦ!
“Н”: ...Это соответствует длине волны порядка ... 3000 километров!
“А”: Совершенно верно! Но учти, Незнайкин, что мир устроен так, что передающая антенна, чтобы быть эффективной, не должна иметь размеры менее одной четверти излучаемой ею длины волны! Поэтому вопрос реализации проекта “САНГВИН” требовал сооружения системы антенн, занимающих площадь порядка ДЕСЯТКОВ ТЫСЯЧ квадратных километров!
При этом для генерации “глобального” сигнала требовалась энергия порядка СОТЕН МЕГАВАТТ! После продолжительных и бурных дебатов в Сенате, от этого способа связи с погруженными подводными лодками отказались!
“Н”: Так вот что такое генерация подобных электромагнитных колебаний!? Ну, а более высокие частоты?
“А”: “Сверхдлинными” волнами для осуществления радиосвязи, представь себе, сейчас пользуются! Но самые длинные из них начинаются с ТРИДЦАТИ КИЛОГЕРЦ!
То есть длина волны равна “всего-навсего” 10 километрам! Но и эта “экзотика” в радиовещательной технике не используется.
“Н”: А какие , длины волн и почему используются в международном радиовещании?
“А”: На этот твой вопрос отвечу совершенно конкретно! Все используемые в радиовещании длины волн разбиты на следующие диапазоны:
- Длинные волны — 150—408 кГц (2000—735,3 м).
Средние волны — 525—1605 кГц (571,4—86,9 м).
Короткие волны — 3,5—30 МГц (80—10 м).
Ультракороткие волны —87,5-104 МГц (Европа); 87,5 - 108 МГц (США); 7.6 — 90 МГц (Япония).
Кроме того, в последнее время получил тенденцию к расширению УКВ диапазон на территории Украины!
“Н”: Я как-то слышал, что каждый из приведенных выше диапазонов имеет , чуть ли не свой собственный “характер”?
Это что, просто вариации на тему известных “Сказок братьев Гримм” или в этом действительно что-то есть?
“А”: Уже скоро сто лет, как трудами ученых, изобретателей и любителей было установлено, что чем больше размеры антенн, тем больше и дальность связи! И теоретики начала века утверждали, что самые “дальнобойные” волны — это волны длинноволнового диапазона!
Они поясняли это ДИФРАКЦИЕЙ! Напомню, что дифракция — это огибание волной препятствий! Например, для сверхдлинных волн, длина которых измеряется километрами — даже выпуклость Земли помехой не является. И вот для дальней связи строятся гигантские антенны!
Сказано — сделано! И вот пришел успех! Осуществлена связь между Канадой и Южной Америкой! А поскольку (мы дальше коснемся этого вопроса) в начале двадцатого века считалось, что частоты различных станций должны быть различными и это различие должно составлять около 10 процентов, то американский ученый Фредериксон, например, утверждал, что в диапазоне 30—100 кГц можно разместить не более ДВЕНАДЦАТИ каналов!
“Н”: Он ошибся?...
“А”: Да нет, он был прав! На тот момент, естественно!
Но есть древняя восточная мудрость: “Время способно превратить самую чистую правду в отвратительную ложь!”
Дело в том, что техника начала века большего не позволяла! Это во-первых! А, во-вторых, “есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам”!
“Н”: Я тоже очень уважаю Шекспира!...
“А”: Рад, что доставил тебе удовольствие! Однако, ближе к теме! Исследования по распространению электромагнитных волн на расстояние от нескольких десятков до 10000 километров уже не возможно было пояснить только дифракцией!
И потом, как можно было объяснить тот факт, что днем дальность связи намного меньше, чем ночью? Или известный сейчас курьез с радиодиапазоном коротких волн?
В свое время государственные службы, действуя по принципу “на тебе, боже, что нам не тоже”, отдали в распоряжение радиолюбителей волны, короче 200 метров. И вдруг на тебе ... в 1923 году два радиолюбителя на кустарных, маломощных радиостанциях установили связь между ... Англией и Новой Зеландией!
“Н”: Это есть пример ПОБЕДЫ ТЕХНИКИ НАД НАУКОЙ!
“А”: Да, совершенно блестящий пример! Но, Незнайкин, далеко не единственный! “Тому в истории мы тьму примеров слышим, но мы истории не пишем...”.
Но... будем же справедливы! Я имею в виду, по отношению к науке! Ее ведь тоже делают люди. А среди людей науки ВСЕГДА находятся гении и прозорливцы...
“Н”: И в этом случае тоже?
“А”: И в этом — тоже! В 1902 году физики Хевисайд и Конелли выдвинули смелую гипотезу: ВЕРХНИЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ ДОЛЖНЫ СОСТОЯТЬ ИЗ ИОНИЗИРОВАННОГО ГАЗА! По причине того, что они подвергаются прямому воздействию жесткого космического излучения.
И, безусловно, воздействию солнечного излучения! Но поскольку ионизированный газ является проводником, то радиоволны ДОЛЖНЫ ОТРАЖАТЬСЯ от верхних слоев атмосферы, как от зеркала! Споры на эту тему шли более 20 лет, пока, наконец в 1925 г., американские исследователи Туве и Брайт не дали этой гипотезе блестящее экспериментальное подтверждение!
“Н”: Погоди, я слышал о каком-то “слое Хевисайда”!
“А”: О нем, Незнайкин, речь и идет! Но вскоре оказалось, что отражающих слоев — несколько! Например, летним днем их не меньше четырех! Ближе всего к земной поверхности расположен слой D. Затем Е, и, наконец, F, который “распадается” на F1 и F2. Но если мы сейчас не остановимся, то можем “утонуть” в этих интереснейших вопросах!
“Н”: Жаль, хотя ты совершенно прав! Но, надеюсь, о свойствах тропосферы Земли сегодня известно почти все?
“А”: Больше всего в восторг я прихожу от твоего “почти”! Нет, дорогой! Эти свойства преподносят массу сюрпризов! О некоторых просто стараются не упоминать — так спокойнее!
“Н”: Это мне чем-то напоминает “эффект страуса”!
“А”: Согласен! В тропосфере много непознанного, но в свое время под Москвой был создан ИЗМИРАН — институт земного магнетизма и распространения радиоволн. Он публиковал, например, прогнозы прохождения коротких волн для территории СССР (бывшего) на месяц вперед! Но — хватит истории!
“Н”: Если я правильно понял, то есть несколько путей распространения радиоволн?
“А”: Да, это так! Для коротких волн, которые, как известно могут распространяться на любые расстояния, есть несколько путей. Самый простой путь распространения отраженных радиоволн — односкачковой. При этом дальность достигает, примерно, 3500 км. Существует такая вещь как много скачковое распространение. При этом волна отражается последовательно несколько раз от ионосферы и поверхности Земли. Есть и еще одна возможность — рикошетирующее распространение. При этом виде распространения потери мощности получаются особо малыми!
“Н”: Ну и ну! А что получается, если короткие волны из одной точки “двинутся” сразу по двум или трем путям?
“А”: А то и получается, что стечение нескольких минут интенсивность (или уровень) сигнала в точке приема может измениться в СОТНИ РАЗ! Это явление известно как замирание или ФЕДИНГ. В основе этого явления — интерференция нескольких волн одной и той же длины, пришедших от передатчика к приемнику несколькими различными путями. А поскольку пути различны и непостоянны, то различны и непостоянны и фазы пришедших сигналов, которые, как правило, ослабляют друг друга! Я здесь, фактически, не затрагивал вопроса о “дневных” и “ночных” особенностях распространения радиоволн.
“Н”: Но как же пользоваться такими “ненадежными” волнами как короткие?
“А”: Круглосуточно, конечно! Их преимущества “при всём при том, при всём при том” настолько велики, что “охлаждение” интереса к ним не наблюдается ни со стороны профессиональной связи, ни со стороны радиолюбителей! И потом, как неоднократно подчеркивал Спец, для чего-то ведь существует и схемотехника!
“Н”: Так я уже в состоянии присутствовать на ваших беседах со Спецом?
“А”: Не так, чтобы очень! Но, пожалуй, можно рискнуть! И хотя мы ещё собственно схемотехники даже не коснулись, давай условимся о встрече со Спецом прямо сейчас! Пододвинь мне, пожалуйста, телефон!...
| 
