Глава III. Электрические колебания

§ 26. 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.

Рис. 48. Пилообразное напряжение для развертки колебаний