Приключения радиолуча

Высокие металлические башни — антенны радиовещательных станций — пример антенн, излучающих вертикально поляризованные волны. Металлическую башню можно рассматривать как половину вертикального диполя, а роль второй половины выполняет земля. Она — тоже проводник токов и зарядов. В СССР и США для телевидения применяют горизонтально поляризованные волны, а в Англии предпочитают вертикальную поляризацию. Поэтому у нас и в Америке приемные телевизионные антенны — горизонтальные вибраторы, а в Великобритании — вертикальные. Трудно однозначно сказать, какая поляризация лучше для телевидения. При вертикальной поляризации заводские трубы, столбы, шпили зданий и другие вертикальные объекты могут создавать помехи в виде переотраженных сигналов и мешать качественному приему. При горизонтальной поляризации сильнее сказываются помехи, вызванные переотражением сигналов от земли и от крыш домов.

Электромагнитные волны нетрудно сделать и с круговой поляризацией. Для этого надо два вибратора расположить крестообразно и подвести к ним высокочастотные колебания, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Такой вид поляризации применяется в радиолокации для подавления помех от дождя.

ПОДАРОК ПРИРОДЫ

Мы познакомились только с одной половиной опыта Герца — генерацией радиоволн, которые сразу же назвали «лучами Герца». Причем длина излучаемой волны превышала длину вибратора в два раза, поэтому довольно часто вибратор Герца называли также полуволновым.

Вибратор излучает радиоволны во все стороны далеко не одинаково, то есть обладает свойством направленности. Максимум излучения находится в плоскости, перпендикулярной середине стержня, а минимум — в направлении вдоль стержня.

Но излученные волны надо поймать, как-то увидеть, зафиксировать. Герц справился и с такой задачей. Здесь явно напрашивалась аналогия со звуковыми волнами. Помните школьные опыты с настроенными камертонами? Если ударить молоточком по одному камертону, то в унисон с ним зазвучит и второй. То же самое происходит и в музыкальных струнных инструментах. Если настроить две струны, то на звучание одной из них будет отзываться и другая. Это явление резонанса решил использовать Герц для поимки радиоволн. Только вот как сделать «камертон» для электромагнитных волн?

Он взял металлический стержень и согнул его в виде дуги. И, как в вибраторе, на оба конца насадил по металлическому шарику. Вот таким был резонатор, отзывавшийся на радиоволны, первый их приемник. Впоследствии ученые назвали резонатор Герца «электрическим глазом». Как наш глаз улавливает видимые световые волны, так и резонатор Герца дает знать о существовании невидимых электромагнитных волн.

Да, предельно простым представляется сейчас опыт Герца. На каждую искру в вибраторе резонатор откликался своей искрой. Вот оно, чудо рождения и ловли радиоволн. Волны, бегущие от вибратора, достигают резонатора, заставляют его «звучать» в унисон с вибратором, вызывают в нем такие же колебания электрического тока, какие на долю момента раньше существовали в вибраторе. И крошечная искра, проскакивавшая между шариками резонатора, возвещала: да, действительно есть в природе электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом!

Во время экспериментов Герц уносил свой приемник в другую комнату на многие метры, но все равно в разрыве приемной рамки проскакивала искра. Волна слабо спадала с расстоянием.

Правда, и до открытия «лучей Герца» думали об использовании электрических и магнитных явлений для беспроводной связи. Но все они имели один существенный недостаток — сигналы очень быстро теряли свою силу с увеличением расстояния. В такой же зависимости, как и сила тяготения в законе Ньютона, — обратно пропорционально квадрату расстояния. А если еще учесть и влияние земли, над которой должны передаваться электрические и магнитные сигналы, то ослабление будет еще сильнее — обратно пропорционально кубу расстояния. То, что затухание электромагнитных волн не подчиняется этим законам, и поразило больше всего Герца.

В своих воспоминаниях он писал: «Особенно приводили меня в изумление все большие расстояния, вплоть до которых я мог обнаружить действие. До тех пор привыкли считать, что электрические силы убывают по закону Ньютона и, следовательно, с увеличением расстояния быстро становятся незаметно малыми».

Добавка в виде тока смещения, введенная Максвеллом в уравнение Ампера, привела к тому, что в решении максвелловых уравнений, помимо членов, убывающих как обратный квадрат расстояния, то есть по известному нам со школы закону Кулона, к счастью, содержится еще один член, названный волновым. Он описывает часть поля, которая спадает гораздо медленнее, чем обратный квадрат расстояния, а именно как величина обратная расстоянию в первой степени.

Читатель может спросить: почему к счастью? Да потому, что этому подарку природы, предсказанному Максвеллом, и обязана своим рождением вся нынешняя радиотехника.