Электрические колебания. Методы их наблюдения

До сих пор мы рассматривали механические колебания, представляющие собой вид движения тел. На все вопросы, касающиеся таких колебаний, можно получить ответ в кинематике и в динамике. Но мы уже упомянули выше (§ 2), что наряду с механическими колебаниями и колебательными системами существуют электрические колебания и колебательные системы. Их значение для техники, пожалуй, даже больше, чем механических. К электрическим колебаниям мы теперь и перейдем.

Что именно и каким образом колеблется в этом случае?

Может колебаться электрический заряд на обкладках конденсатора, электрический ток в проводниках, электродвижущая сила на клеммах генератора, напряжение на каком-либо сопротивлении и т. д. Другими словами, колеблются электрические величины. Говоря «колеблются», мы подразумеваем, что эти величины не остаются постоянными, а меняются с течением времени. Но подобно тому как не всякое механическое движение является колебанием, так и не всякое изменение электрических величин со временем есть электрическое колебание.

Мы видели, что для механических колебаний существенна повторяемость движения, его периодичность. Эта же черта существенна и для электрических колебаний. Если изменение какой-либо электрической величины, например тока, происходит периодически, повторяясь, то мы назовем такое изменение электрическим колебанием. Примером такого процесса является уже знакомый нам переменный ток в осветительной электросети, который меняется по закону гармонического колебания (см. том II, §§ 152, 153).

Мы не можем непосредственно воспринимать электрические колебания подобно тому, как мы видим колебания маятника и слышим колебания камертона. Но, как мы знаем, и электрически заряженные тела, и проводники, по которым течет электрический ток, взаимодействуют между собой с некоторыми силами. На измерении этих сил основано измерение самих электрических величин: зарядов, токов, напряжений и т. п. (см. том II, §5 25, 135). Благодаря этим силам получается механическое движение в электродвигателях (см. том II, §§ 171— 173). С помощью этих же (электростатических и электродинамических) сил можно самыми различными способами превратить электрические колебания в механические.

Один из таких способов состоит в использовании силы притяжения электромагнита и применяется, в частности, в. телефоне и в электромагнитном громкоговорителе. На рис. 46 схематически показано устройство телефона. Ток пропускается по обмотке электромагнита, полюсы которого расположены перед серединой мембраны — круглой железной пластинки, зажатой по краю. При колебаниях тока колеблется сила притяжения, действующая на мембрану; результатом являются вынужденные колебания мембраны.

Рис. 46. Телефон (схематически): 1 – мембрана, 2 — электромагнит

Если сердечник электромагнита не имеет постоянного намагничивания, т. е. притягивает мембрану только тогда, когда по обмотке течет ток, то телефон будет сильно искажать звук. Дело в том, что мембрана будет притягиваться к сердечнику в любом направлении тока в обмотке, и, следовательно, период силы, действующей на мембрану, будет вдвое короче периода переменного тока в обмотке. Чтобы этого избежать, применяют электромагниты с постоянно намагниченным сердечником. В этом случае сила притяжения мембраны при одном направлении тока в обмотке будет больше, чем в отсутствие тока, а при противоположном направлении — меньше. Таким образом, период притягивающей силы теперь будет тот же, что и период тока. Конечно, и в этих условиях превращение электрических колебаний в механические не свободно от искажений; форма колебаний мембраны повторяет форму колебаний силы тока не вполне точно. Однако возможность практического использования таких электроакустических приборов (телефона, громкоговорителя) на том и основана, что искажения могут быть сделаны достаточно малыми.

Включив телефон или громкоговоритель в осветительную сеть (через сопротивление , так как напряжение слишком велико для этих приборов), мы услышим гудение—«голос» городского тока. Колебания мембраны, вызванные колебаниями этого тока, имеют частоту тока, т. е. , и, следовательно, являются звуковыми колебаниями.

Другой способ превращения колебаний тока в механические колебания состоит в использовании поворота катушки с током в магнитном поле. На этом основано устройство шлейфового осциллографа (см. том II, § 152).

Легкая узкая петля (шлейф) успевает следовать за очень быстрыми колебаниями тока — до , но для более высоких частот необходим осциллограф, обладающий еще меньшей инерцией. Таким прибором является электронный осциллограф. Колебания в этом приборе воспроизводятся движением пучка быстро летящих электронов. Устройство электронного осциллографа показано на рис. 47.

Рис. 47. Электронный осциллограф. Для ясности выводы от управляющих пластин показаны пропущенными через стенки трубки. В действительности их подводят к ножкам на цоколе (слева)

Электроны испускаются накаленным катодом 1 и ускоряются по направлению к аноду 2 благодаря тому, что между катодом (—) и анодом (+) приложено напряжение (несколько сотен или тысяч вольт). Электроны проходят в виде тонкого пучка через отверстие в аноде (стеклянный баллон, разумеется, откачан до высокого вакуума). Экран покрыт веществом, которое светится (флуоресцирует) под ударами электронов. Таким образом, электронный пучок создает па флуоресцирующем экране 3 светлое пятнышко. Электрический заряд, приносимый пучком электронов на экран, постепенно стекает затем по внутренней поверхности стекла обратно к катоду. Чтобы облегчить и ускорить это стенание заряда, стенки трубки покрыты изнутри слоем проводящего вещества (графита).

Позади анода расположены две пары металлических так называемых управляющих пластин — горизонтальная и вертикальная. Если на какую-либо из этих пар дать постоянное напряжение, то электрическое поле между пластинами отклонит пучок соответственно либо в вертикальном, либо в горизонтальном направлении.

Если к первой (горизонтальной) паре пластин подвести переменное напряжение, то светлое пятнышко будет колебаться на экране вверх и вниз, воспроизводя периодическое изменение приложенного напряжения одновременно к другой паре пластин подводится равномерно нарастающее напряжение. Это напряжение заставляет пятнышко пробегать по экрану в горизонтальном направлении, например от левого края к правому. Для того чтобы пятнышко, достигшее правого края, вновь чрезвычайно быстро вернулось к левому и могло повторить свое движение, надо очень резко снизить напряжение до первоначального значения и затем заставить его вновь равномерно возрастать. Такое пилообразное напряжение (рис. 48) обеспечивает периодически повторяющееся пробегание пятнышка по экрану, т. е. играет ту же роль, что и вращающееся зеркало в механическом осциллографе. Оно называется поэтому развертывающим напряжением или, как часто говорят, разверткой. В результате на экране электронный пучок рисует развертку колебания, поданного на первую пару пластин. Инерция электронов крайне мала, поэтому электронный пучок успевает следовать за чрезвычайно быстрыми колебаниями — до тысяч мегагерц. Предел ставится временем пролета электронов через управляющие пластины: электроны будут хорошо следовать за изменением напряжения, если за время их пролета через пару управляющих пластин напряжение на этих пластинах не успевает сильно измениться.