|
|
Что бы вы сказали, если бы на
ваших глазах нечаянно уронили на пол катушку от радиопередатчика, имевшую вид
цилиндрической серебряной спирали, и она... разбилась на мелкие куски.
Оказывается, катушка была сделана из стеклянной трубки и лишь сверху покрыта
тонким слоем серебра.
Могла ли работать' в передатчике такая стеклянная катушка?
Ведь стекло является прекрасным изолятором, сопротивление стеклянной палочки
электрическому току столь велико, что его почти невозможно измерить, а
провод, идущий на изготовление катушки, должен иметь возможно меньшее
сопротивление: чем меньше сопротивление, тем медленнее будут затухать
колебания в контуре.
Действительно, стекло является великолепным изолятором.
Столь же правильно и то, что катушки надо делать из материала, имеющего
наименьшее сопротивление. Но эти два положения, как ни странно, не
противоречат друг другу. Дело в том, что в катушке передатчика протекают
высокочастотные токи, которые распространяются лишь по' поверхности
проводника. Поэтому витки катушки и покрыты снаружи серебром — одним из
лучших проводников электрического тока. А по внутренним частям проводника
высокочастотный ток не течет, поэтому дорогое и тяжелое серебро можно
безбоязненно заменить стеклом.
Чем же объясняется такое распределение переменного тока в
различных участках сечения провода?
Из электротехники известно, что электрический ток —
движение электрических зарядов — сопровождается возникновением магнитного
поля. При нарастании тока поле становится интенсивным и распространяется на
большее пространство, при его ослаблении силовые линии поля стягиваются,
интенсивность поля уменьшается. Если такое движущееся магнитное поле пересекает
проводник, то в нем возникает ток — начинается движение зарядов. При
разворачивании поля порождаемый им индуктированный ток имеет направление,
обратное направлению тока, вызвавшего появление поля. При сворачивании поля
этот индуктированный ток имеет то же направление, что и первичный.
Каждый проводник мы можем рассматривать как большое
количество тонких проводников, идущих параллельно. По каждому из них течет
электрический ток и создает в окружающем пространстве магнитное поле, которое
в своем движении воздействует на соседние проводники и в силу явления
индукции порождает в них индуктированные токи.
Чтобы лучше разобраться в «механике» этого явления,
представим себе два электрона, находящиеся в толще провода. Под влиянием
электрического поля в проводнике должен начать течь электрический ток, т. е.
наши два электрона должны начать двигаться. Но как только электрон пришел в
движение, вокруг него создалось магнитное поле, в зону действия которого
попадает соседний электрон. Электрическое поле побуждает этот второй электрон
двигаться в одном направлении с первым, а магнитное поле первого электрона
побуждает его двигаться в обратном направлении. Другими словами, движение
первого электрона будет тормозить движение второго.
Но ведь наши электроны совершенно одинаковы и подчиняются
воздействию одинаковых сил. Если второй электрон испытывает тормозящее
действие со стороны первого, то первый электрон испытывает точно такое же
тормозящее действие со стороны второго. Электроны тормозят друг друга. Это
торможение наиболее сильно проявляется в середине провода, где электроны со
всех сторон окружены другими. Наименьшее торможение испытывают электроны в
поверхностных слояк проводника, так как они не со всех сторон окружены
другими электронами.
Торможение, испытываемое электронами со стороны соседних
электронов, равноценно сопротивлению, так как электрическим сопротивлением мы
называем все причины, затрудняющие движение электронов под воздействием
электрического поля. Поэтому можно сказать, что ближе к середине провода сопротивление
будет больше и, значит, величина тока там будет меньше.
Чтобы не делать ошибок при рассмотрении подобных явлений,
следует помнить, что тормозящее действие производится изменяющимся магнитным
полем, а такое поле создается электроном, изменяющим скорость своего
движения, т. е. движущимся с ускорением или замедлением. Поэтому ослабление
тока внутри проводника наблюдается только у переменных токов, так как при
переменном токе электрические заряды движутся то ускоренно, то замедленно.
Чем выше частота тока, тем резче возрастает сопротивление внутренних областей
проводника. При постоянном токе это имеет место лишь в те немногие мгновения,
в которые ток нарастает. При установившемся токе изменения магнитного поля
нет, поэтому нет и его тормозящего действия: ток течет равномерно по всей
толще проводника.
В качестве примера можно привести некоторые цифры.
Предположим, что катушка изготовлена из медного провода диаметром 10 мм. Сопротивление такого провода постоянному току, текущему по всей его толще, ничтожно мало. Для
тока частотой 100 килогерц сопротивление катушки увеличится в 12 раз, а для
тока частотой 10 мегагерц оно увеличится в 116 раз. По существу это означает,
что ток проходит в данном случае только по 7пб части сечения провода — по его
тонкому поверхностному слою. Поэтому рассмотренное явление иногда называют
«поверхностным эффектом» или «эффектом кожи» — ток распространяется как бы
только по «коже» провода. Так, при частоте 3 мегагерца ток в медном проводе
течет лишь по наружному слою толщиной 0,2 мм.
Раз ток по внутренним частям провода не течет, то без них
можно обойтись, можно сделать провод в виде трубки или сделать его из
изолятора, покрытого по поверхности хорошо проводящим слоем.
Поверхностный эффект позволяет проделывать интересные
опыты. Например, в Московском Политехническом музее демонстраторы зажигают
электрическую осветительную лампу, держа ее рукой за один вывод нити и
прикасаясь к антенне радиопередатчика другим выводом. При этом ток,
накаливающий лампу, проходит через демонстратора. Этот ток велик, он
достигает 0,5 ампера, тогда как в несколько раз меньший ток низкой частоты
уже является для человека смертельным.
Почему же демонстратор остается жив? Потому что ток может
убить лишь тогда, когда он протекает по внутренним органам тела. А
радиопередатчик возбуждает ток высокой частоты, который внутрь тела не
проникает; он течет в данном случае в полном смысле слова «по коже» и поэтому
не воздействует на организм.
Казалось бы, вопрос ясен. Эти величины равны между собой.
Но не всегда это верно. Например, будет ли одинаково сопротивление провода
сечением 1 мм2 и сопротивление десяти проводов сечением по 0,1 мм2,
соединенных параллельно? Электротехника говорит, что эти величины равны, но
для радиотехники это не так. Благодаря тому, что токи высокой частоты текут
не по всей толще, а только по поверхности проводника (см. стр. 30), десять
проводников окажутся выгоднее, так как их общая поверхность примерно в 3 раза
больше, чем поверхность одного провода с таким же сечением.
На использовании этой особенности прохождения токов
высокой частоты основано применение специального многожильного
провода—литцендрата. Этот высокочастотный провод состоит из большого
числа (до 20) отдельных тонких жилок диаметром 0,07—0,2 мм, перевитых между
собой и заключенных в общую шелковую обмотку. Все жилки должны быть
обязательно изолированы друг от друга по всей длине и соединены только на
концах. Если они не будут изолированы, все преимущества такого провода
пропадут, так как токи будут идти не по десяти отдельным путям, а по общему
пути и влияние магнитного поля будет такое же, как в одножильном проводе.
Благодаря тому, что жилки перевиты между собой, они
одинаково пересекаются магнитными полями, создаваемыми отдельными жилами, и
ток распределяется в них также равномерно.
Чтобы наилучшим образом использовать материал проводов —
медь, нужно применять как можно более тонкие жилки; тогда в каждой из них в
прохождении тока будет принимать участие большая часть всего' металла.
|