Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§ 88. Вибратор Герца (возбуждение колебательного контура индуктором). Токи Тесла
В 1887 г. Герц изобрёл способ генерирования электрических колебаний, заключающийся в возбуждении колебаний контура индуктором. В томсонов контур, обладающий большой частотой свободных колебаний (имеющий малую ёмкость и малую самоиндукцию), Герц ввёл искро вой промежуток (рис. 413) и подвёл переменное напряжение от вторичной обмотки индуктора к та кому разомкнутому в отсутствии искры колеба тельному контуру.
Рис. 413. Контур с искровым проме жутком (катушка заменена индуктив ностью проводов,
соединяющих пластины конден сатора).
Как только напряжение на пластинах конден сатора достигало такой величины, что возникала искра, контур благодаря достаточной проводи мости искры оказывался замкнутым и в нём на чинали происходить электрические колебания, которые, однако, вследствие сопротивления искро вого промежутка быстро затухали. Благодаря боль шой частоте свободных колебаний контура в короткий промежуток времени, пока искра не потухла, пластины конденсатора успевают много раз перезарядиться. Таким образом, за каждым «толчком», сообщаемым индуктором, следует серия свободных элек трических колебаний контура с частотой, определяемой формулой (7) или приближённо формулой
По этой формуле получается, что в контуре, состоящем из кон денсатора ёмкостью С=1000 см и довольно толстого провода, за мыкающего пластины конденсатора и согнутого по кругу радиусом в 20—40 см (L=1000 см), электрические колебания будут проис ходить с частотой порядка нескольких миллионов в секунду. Для получения более частых колебаний нужно ещё уменьшить ёмкость и самоиндукцию контура. Раздвигая пластины конденсатора, можно уменьшить ёмкость контура до нескольких сантиметров, что даст увеличение частоты колебаний в несколько десятков раз. Стремясь получить возможно большую частоту электрических колебаний, Герц принуждён был заменить катушку и конденсатор томсонова контура электрическим диполем — прямолинейным проводником с искровым промежутком посредине (рис. 414).
Рис. 414. Переход от зам кнутого контура к элек трическому диполю.
Применяя электрический диполь, возбуждаемый индуктором, Герц получил электрические колебания с частотой около 500 миллионов колебаний в секунду.
Описанное приспособление для генерирования электрических ко лебаний носит название вибратора Герца. Чем больше искровой промежуток в вибраторе Герца, тем большая электрическая энергия может быть сообщена колебательному контуру (электри ческому диполю) перед каждой серией сво бодных колебаний контура (диполя). Однако при большой длине искрового промежутка значительное сопротивление искры приводит к чрезмерно быстрому затуханию колебаний. В зависимости от частоты производимых ко лебаний берут искровой промежуток от со тых долей миллиметра до сантиметра.
Тесла применил возбуждение колебатель ного контура индуктором для получения то ков, имеющих частоту порядка 100000 пе риодов в секунду. Для исследования и ис пользования получаемых таким образом токов Тесла сконструировал трансформатор, пер вичная обмотка которого, состоящая из не скольких витков толстого провода, представляет собой катушку колебательного контура, подключённого к индуктору (как в вибраторе Герца, колебательный контур имеет ис кровой промежуток; рис. 415).
Рис. 415. Схема трансформатора Тесла.
Вторичная обмотка, состоя щая из очень большого числа витков на картонном каркасе, вставляется внутрь первичной обмотки. Самоиндукция вто ричной обмотки должна быть во столько раз больше само индукции первичной обмотки, во сколько раз ёмкость, обра зуемая проводами вторичной обмотки, меньше ёмкости конденсатора, на пластины которого подаётся напряжение индуктора. В этом случае частота свободных электри ческих колебаний в первичном томсоновом контуре является резо нансной частотой для токов, индуцируемых во вторичной обмотке. Трансформатор Тесла позволяет получать быстропеременные токи с амплитудой напряжения до 1000000 вольт.
ТЕСЛА (Tesla) Никола (1856-1943)
Эти токи (их нередко называют токами Тесла) производят совершенно иное физиологическое действие, чем обычный технический переменный ток. При ча стоте в 50 герц ток в 0,01 ампера, проходя через мышцы, произ водит их сокращение и вызывает ощущение боли. Токи Тесла при силе в 1 ампер почти не вызывают сокращения мышц. Высокое на пряжение токов Тесла не опасно для человека. В связи с этим быстропеременные токи (частотой в сотни тысяч герц) применяют для прогрева тканей организма с. лечебными целями (диатермия); при этом пользуются током от 1/2 до 31/2 ампер при напряжении в несколько сотен вольт. В целях лечебного физиологического воз действия на ткани организма при меняют также быстропеременные токи смещения ультравысоких ча стот в десятки миллионов герц (УВЧ).
Исследование электрических колебаний, получаемых при воз буждении вибратора Герца ин дуктором,, исторически сыграло большую роль в развитии учения об электричестве. Но широчайшее использование электрических ко лебаний оказалось возможным только с того времени (со второго десятилетия нашего века), когда были найдены другие более совершенные способы генерирова ния электрических колебаний. Действие современных генерато ров электрических колебаний, основанных на применении электроламп, будет рассмотрено в сле дующей главе.
Генрих Герц (1857—1894).
Здесь мы ограничимся только тем, что, обратив шись к простой механической аналогии, поясним, в каком напра влении нужно было усовершенствовать предложенный Герцем метод возбуждения электрических колебаний, чтобы получить пригодные для технических целей генераторы колебаний.
Вибратор Герца даёт быстро следующие друг за другом серии затухающих колебаний; энергия, рассеиваемая в контуре, восполняется индуктором. Механическая аналогия такого рода колебаний может быть получена с помощью маятника, изображённого на рис. 416, а.
Рис. 41G. Незатухающие колебания маятника можно осуществить механически (а) и при помощи электро магнита (б).
Коле бания маятника, состоящего из массивного шарика и пружины, будут затухающими, но мы можем поддерживать эти колебания, дёргая время от времени переброшенный через блок конец шнурка; после каждого такого толчка будет следовать серия затухающих колебаний маятника, причём начальная амплитуда в каждой такой серии будет тем больше, чем сильнее мы дёрнули шнурок. В вибраторе Герца индуктор (испол няющий в нашей аналогии функции руки) производит «толчки» коле баниям автоматически каждый раз, когда искра в искровом проме жутке контура гаснет.
Если в примере возбуждения колебаний маятника натяжением шнура мы сумели бы соразмерить ритм натяжений шнура с размахами маят ника и сообщали бы маятнику при каждом его размахе лёгким движением руки энергию, равную той, которую маятник рассеивает при одном колебании, то колебания маятника сделались бы незатухаю щими. Проще осуществить незатухающие колебания маятника посред ством приспособления, изображённого на том же рис. 416,б. Находясь в крайнем нижнем положении, маятник замыкает цепь тока, питающего небольшой электромагнит. Этот электромагнит, притягивая якорь, слегка натягивает шнур и пружину маятника; таким образом, при каждом ко лебании маятника за счёт батареи восполняется энергия, израсходо ванная маятником во время одного колебания на преодоление суще ствующих сопротивлений движению. Поскольку в состоянии равновесия маятник не надавливает на ключ, замыкающий ток, для возникновения незатухающих колебаний нужен начальный толчок. Если этот толчок мал, колебания затухнут; если он достаточно велик, то, как бы он ни был велик, незатухающие колебания (автоколебания) будут происхо дить с той определённой амплитудой, на которую конструктивно рас считан прибор.
Добавим к описанному прибору небольшой электроавтоматический молоточек, сообщающий своими ударами лёгкое сотрясение опоре, к которой подвешен маятник, и непрерывно действующий с такой частотой, чтобы маятник резонировал на вызываемые молоточком сотрясения,
Посредством реле можно сделать так, чтобы этот молоточек дей ствовал только тогда, когда цепь электромагнита А длительно остаётся разомкнутой. В таком несколько усложнённом приборе автоколебания маятника возникнут без начального толчка; молоточек резонансно рас качает маятник до той амплитуды, при которой начинает действо вать электромагнит А. Если почему-либо произойдёт, что колебания маятника «выпадут из стационарного режима», молоточек, который в этом случае автоматически снова начинает свою работу, вернёт маятнику нужную амплитуду размахов.
Аналогично сказанному, чтобы получить самовозбуждающийся генератор незатухающих электрических колебаний, нужно допол нить томсоновский колебательный контур прибором, который, под чиняясь ритму колебаний тока в контуре, автоматически, при каждом колебании сообщал бы контуру импульсы тока. Чтобы возбудить в таком генераторе колебания большой частоты (в соответствии с малыми значениями индуктивности и ёмкости контура), упомянутый прибор, доставляющий в контур электрическую энергию, должен действовать безинерционно. В наше время общеизвестно, что такой прибор был создан и получил название электронной гене раторной лампы (§§ 95—99).