Против мракобесия: основы электрорадиотехники и антенны.

Итак, я несколько освободился после праздников, время есть , можно продолжить разговор о радиотехнике и антеннах.

В этой статье сторонников "новаторской антенны" господина Харченко ожидает сюрприз, который я выложу во второй части статьи, и он до того удивителен, что я вообще сомневаюсь - Харченко ли писал все выложенные здесь Благиным статьи.

Для начала немного теории в дополнение к ранее написанному в статье по ссылке.

При этом еще раз предупреждаю тех, кто начнет искать в статье отсутствие упоминаний о каких то спорных моментах - статья пишется в основном для неспециалистов, и поэтому некоторые моменты опускаются - к примеру, при упоминании линейных процессов я не упомянул влияние внутреннего сопротивления источника питания, сопротивлений приборов, переключателей и так далее. Мне известны Закон Ома для участка цепи, для полной цепи, законы Кирхгофа и так далее.

То, что о них не говорится в статье, вовсе не значит, что я об этом не знаю - просто не хочу забивать голову этим читателям.

Специально для тех, кто будет вспоминать о фазовой скорости волны, которая превышает скорость света - это действительно так, и нисколько не нарушает СТО Эйнштейна - превысить скорость света не могут только материальные обьекты, а также обьекты, несущие какую то информацию. Фазовая скорость волны монохроматического бесконечного колебания не несет никакой информации. Если наложить на такой сигнал какую-то информацию (промодулировать колебание ), то оно перестанет быть монохроматическим.

Я специально побольше написал в этом предупреждении, так как не хочу, чтобы кто то вновь повторял попытки поймать меня на чем то, что я не указал в статье и на этом основании не начал опровергать сказанное. Прошу комментарии писать по существу темы.

Электрические цепи, в которых ток и напряжению текут строго в соответствии с законом Ома, называются линейными электрическими цепями, то есть, изменение одного из действующих параметров -сопротивления, напряжения или тока приводит к соответствующему изменению остальных параметров строго в соответствии с формулами и независимо от времени, прошедшего с момента произошедшего изменения .

Однако, у нас, кроме такой характеристики цепи, как сопротивление, есть еще индуктивность и емкость. Индуктивность показывает связь между током, идущим в цепи и создаваемым им магнитным потоком , и коэффициент, связывающий ток и создаваемый им магнитный поток (магнитное поле), и называется индуктивностью. Обозначается индуктивность буквой L.

Индуктивность не зависит о протекающего тока, это-свойство контура (цепи) по которому он протекает. Формула расчета индуктивности 1 витка (Ф- индукция магнитного потока, пронизывающего этот виток, измеряется в Веберах)

Ф = L I , отсюда L = Ф / I = 1Вб / 1А = 1 Гн, то есть, индуктивностью в 1 Генри обладает виток, который создает поток в 1 Вб при прохождении через него тока в 1 ампер. Индуктивности многовитковых катушек и катушек с сердечниками рассчитываются по сложным формулам, учитывающим взаимовлияние витков, здесь не приводятся.

В 1 Гени - 1000 миллигенри - 1000 000 микрогенри.

Пока это все, что необходимо знать об индуктивности.

Перейдем к емкости. Пожалуй,это одно из самых первых свойств электрических цепей, с которым столкнулось человечество, и конденсатор - первое из электрических устройств, созданное людьми. Первыми конденсаторами были ЛЕЙДЕНСКИЕ БАНКИ.

Простейший конденсатор представляет из себя две пластины с выводами, расположенные строго против друг друга и разделенные друг от другой изолятором - материалом, не проводящим электроток. При подключении к такому устройству источника ЭДС, под действием создаваемой им электризации пластин одна из них теряет электроны, которые утекают в источник ЭДС, на другой создается их избыток, избыточные электроны поступают из источника. Процесс , в ходе которого изменяется заряд пластин, называется зарядом конденсатора. При этом, хотя сам конденсатор не пропускает электроны, пока заряд пластин не достигнет уровня ЭДС источника, в цепи будет течь ток, который прекратится после уравнивания заряда на пластинах с источником. Время, в течении которого идет заряд, называется временем заряда конденсатора.

Как и любое устройство цепи, конденсатор имеет параметр, называемой емкостью. Определяется она как отношение заряда, накопленного внутри конденсатора, к напряжению на его пластинах (они называются "обкладки конденсатора") С= q/U

Измеряются они в Фарадах, емкостью в 1 фарад обладает конденсатор, в котором при заряде на обкладках в 1 кулон создается напряжение в 1 вольт.

Однако фарад - это огромная величина, поэтому измерения проводятся в микрофарадах и пикофарадах (1 фарад - 1000 000 микрофарад - 1000 000 000 000 пикофарад).

Как бонус для тех, кто хочет использовать конденсатор именно как накопитель энергии - если зарядить конденсатор в 1Ф до 1 вольта, в нем будет 0,00028 ампер*часа.

Тот, кто внимательно читал статью, или хорошо учил физику в школе, сразу увидит, что конденсатор просто обязан пропускать переменный ток : как только полярность зарядов на его обкладках сменится, начнется новое уравнивание этих зарядов, только уже на противоположные, при этом конденсатор сначала разрядится, потом вновь зарядится до ЭДС источника, и так на каждой полуволне переменного тока. То, есть, через конденсатор в цепи переменного тока будет идти ток, хотя конкретные электроны через него проходить не будут. Этот ток будет называться током смещения, и чем больше емкость конденсатора, тем больше ток смещения при одинаковом приложенном к нему напряжении.

Теперь вернемся к индуктивности. Если включить ток в цепи с индуктивностью, то возникающее при этом магнитное поле некоторое время будет потреблять энергию для того, чтобы "вылезти" из индуктивности, и энергия источника будет расходоваться на это. В результате в первый момент вся поступающая от источника тока энергия будет расходоваться на создание магнитного поля, и ток через катушку не будет идти. По мере накопления энергии в магнитном поле ток начнет идти через катушку, нарастая от нуля до максимальной величины, одновременно с нарастанием магнитного потока катушки. Выглядит это так, как будто бы к катушке подключили источник с ЭДС противоположной полярности, который в течении определенного времени старается сдержать нарастание тока в цепи.

При отключении же катушки происходит обратный процесс - на катушке появляется дополнительное напряжение, которое старается поддержать падающий в катушке ток и по направлению совпадает с ЭДС источника. Возникает оно в результате того, что созданное протеканием тока магнитное поле "втягивается " в провод катушки и запасенная в нем энергия возвращается назад.

В механике это выглядит как инерция - при включении тока нужно как бы поднять какой то груз на некую высоту, а при отключении этот груз возвращается назад.

Вот теперь мы подходим к колебательному контуру. Так называется устройство из подключенных параллельно катушки индуктивности и конденсатора. На рисунке в контуре есть еще сопротивление R - так на схеме учитывается сопротивление проводов катушки, соединительных проводов и утечка тока через диэлектрик конденсатора.

Рассмотрим, что произойдет, если в таком устройстве зарядить конденсатор (перключатель К в положении 1 на рисунке), а затем подключить его к катушке индуктивности. После заряда энергия, накопленная конденсатором, сосредоточится между его обкладками в виде электрического поля заряженных пластин. Силовые линии этого поля сосредоточатся между пластинами, и будут направлены по прямой от одной пластины к другой.

Теперь подключим конденсатор к катушке (переключатель в положении 2). Он начнет разряжаться через катушку, в цепи возникнет ток разряда, который, поскольку идет через индуктивность, будет плавно нарастать. Одновременно вокруг катушки возникнет магнитное поле, созданное протекающим током. Через некоторое время ток достигнет максимума, а так как при разряде напряжение на конденсаторе падает, ток начнет уменьшаться- тоже плавно, так как в цепи имеется индуктивность. Наконец, конденсатор разрядится, электрическое поле между его обкладками пропадет, однако ток в катушке при этом не прекратится - вся ранее сосредоточенная в электрическом поле в конденсаторе энергия окажется заключенной в магнитном поле катушки, и это поле начнет "втягиваться " в провода катушки, стараясь восстановить ток. При этом направление тока движения электронов останется прежним - и они, уйдя с обкладки, которая была раньше заряжена отрицательно, начнут поступать на ранее противоположно заряженную пластину, и создадут уже там избыток электронов, то есть, зарядят ее отрицательно, при этом первая пластина окажется заряженной положительно. Через какое то время конденсатор вновь окажется заряженным, но уже - в противоположной полярности, а ток через катушку прекратится. То есть, вновь вся энергия окажется сосредоточенной в электрическом поле конденсатора.

Далее конденсатор начнет снова разряжаться, и процесс повторится, только полярность электрического и магнитных полей будет противоположной.

Если мы сумеем найти такие конденсатор и катушку, которые не будут вносить потерь в контур (катушка не будет обладать никаким омическим сопротивлением, а изоляция конденсатора не будет абсолютно пропускать ток), то этот процесс может продолжаться бесконечно долго, в таком случае говорят, что в контуре возникли назатухающие электрические колебания.

На самом деле, такой контур создать практически нереально - металл катушки, даже если ее сделать из чистого серебра, будет обладать каким то, пусть и небольшим, сопротивлением, а диэлектрик конденсатора будет обязательно хоть чуть чуть пропускать ток, что ведет к разряду конденсатора мимо катушки (это называется током утечки конденсатора), опять же в контуре имеются соединительные провода, которые тоже имеют свои потери, поэтому каждое следующее колебание в контуре будет иметь меньшую амплитуду , и в конце концов они прекратятся. Таки колебания называются затухающими.

Процесс можно сравнить с качанием маятника - если качнуть маятник, отведя его от состояния покоя (среднего положения) , а потом отпустить его, она начнет качаться из стороны в сторону, каждый раз проходя нижнюю точку и отклонясь то вправо, то влево на некоторую высоту, каждый раз все меньше,и в конце концов остановится.

Если сравнить положения маятника и движение зарядов в контуре, то можно состояние контура, когда конденсатор заряжен,заряды еще неподвижны и сосредоточены в электрическом поле конденсатора, приравнять к положению маятника в верхней точке с одной из сторон все - неподвижно, энергия маятника максимально сосредоточена в потенциальной энергии поднятого груза.

Как только мы отпустим груз, все придет в движение - начнет расходоваться потенциальная энергия (в контуре - энергия электрического поля конденсатора), грузик начнет набирать скорость (увеличиваться ток в катушке), в нижнем положении скорость грузика максимальна , и вся энергия сосредоточена в кинетической энергии движущегося груза ( в контуре - максимальный ток через катушку, вся энергия сосредоточена в магнитном поле), затем начнется подьем грузика с другой стороны, переход кинетической энергии в потенциальную, и его замедление до полной остановки ( в контуре- начнет уменьшатся магнитное поле и ток в катушке, начнет заряжаться конденсатор, накапливая энергию в электрическом поле вплоть до полного прекращения тока и полного заряда конденсатора). затем и там, и там все повторяется, но уже в другую сторону или с другой полярностью.

Теперь рассмотрим, какую частоту будут иметь колебания в контуре. Чем больше емкость конденсатора, тем дольше он будет разряжаться, тем больше времени будет затрачено на его разряд. Но и чем больше индуктивность, тем больше она может накопить энергии в магнитном потоке, тем дольше потом может ее отдавать. Полный цикл колебания в контуре до возвращения заряда конденсатора в первоначальное состояние называется периодом колебания, а исходя из вышесказанного, мы видим, что длительность периода зависит от индуктивности и емкости - чем они больше, тем длиннее период. 

      Количество полных периодов колебаний в секунду называется частотой колебаний в контуре, и выражается формулой 1/Т (Т - период, сек; 1 - 1 секунда), то есть, частота обратно пропорциональна периоду колебаний. Колебание с частотой 1 период в секунду называется колебанием с частотой 1 Герц, - при 1000 периодов - 1 килогерц, миллионе - 1 мегагерц, миллиарде - 1 гигагерц.

То есть, 1 килогерц - 1000 Герц, 1мегагерц - 1000 килогерц, и 1 гигагерц - 1000 мегагерц.

     Пока оставим в стороне радиотехнику и антенны, в качестве подарка рассмотрим некоторые аспекты питания промышленных сетей переменного тока, а именно, активную и реактивную мощность и "косинус ФИ", которым постоянно пугают электрики.

     Предупреждаю, что все это - тоже очень схематично, только для того, чтобы было понятно, что это и с чем его едят.

     Как известно, промышленные сети в России работают на частоте 50 герц, и делятся на однофазные и трехфазные. Вопросы высковольтных сетей я рассматривать не буду, так как туда нико посторонних не допустит, да и самим без необходимости туда лезть не стоит- опасно.

С однофазными все просто - там обычные два провода, на которые подается переменное напряжение частотой 50 герц. Кстати, период колебаний в 50 герц равен 20 миллисекунд, это на всякий случай.

Из двух проводов однофазной сети один называют обычно фазным, другой - нулевым. Считается, что фазный провод всегда находится под напряжением относительно земли, нулевой всегда заземлен. Однако это не совсем так - это справедливо только для сетей с заземленной нейтралью, являющихся частью трехфазной сети, да и то только в относительной близости от трансформаторного пункта, от которого питается данный потребитель.

Если же питание ведется от однофазного генератора, или от ТП с изолированной нейтралью, или от трехфазной сети 220 вольт с включением потребителей треугольником, то незаземленными являются оба провода, и каждый из них - опасен при прикосновении.

Да и в сетях с заземленной нейтралью, если потребитель находится далеко от ТП, и подключен по длинной воздушной линии связи, если не принять необходимые меры, нулевой провод может оказаться под заметным напряжением относительно земли в связи с падением на нем напряжения в силу большого тока, идущего по нему от потребителей к трансформаторному пункту. Поэтому нельзя так просто хватать руками даже нулевой провод линии питания, а все распределительные устройства и ящики со счетчиками должны обязательно заземляться отдельным заземлением.

Трефазные сети применяются для питания промышленных потребителей, и делятся на несколько видов по подключению. Они могут быть с изолированной и заземленной нейтралью, с включением потребителей звездой и треугольником, а для крупных потребителей - с повышенным линейным и фазным напряжением.

Обычно считается, что напряжение между фазным проводом и нулем (называется фазным напряжением) равно 220 вольт, между двумя фазными (называется линейным напряжением) - 380 вольт. Однако, мало кто знает, что вообще то это не совсем так - на самом деле, это так называемое ДЕЙСТВУЮЩЕЕ (среднеквадратичное ) напряжение (оно равно напряжению постоянного тока, которое при том же токе могло совершить работу, производимую при данном напряжении переменного тока частотой 50 гц), которое примерно в 1, 41 раз меньше действующего в сети амплитудного напряжения (примерно 310 вольт для фазного напряжения 220 вольт, и чуть больше 500 вольт для линейного напряжения 380 вольт).

Разберемся с тем, что такое "фаза" переменного тока. Для однофазной сети оно особой роли не играет, там на проводах разноименные заряды. В таком случае обычно говорят, что сдвиг фаз - 180 градусов.

Другое дело - трехфазные сети. Здесь понятие "фаза" играет большую роль, так как, например, порядок следования фаз определяет направление вращения трехфазных асинхронных электродвигателей.

Чтобы понять, что такое фаза, нужно еще раз вернуться к периоду колебаний переменного тока. ели внимательно разобраться. то увидим, что период состоит из четырех частей - сначала ток растет до максиму в одном направлении, потом падает до нуля, затем растет до максимум в другом направлении, снова падает до нуля. участки роста и падения тока называются полупериодом (полуволной) колебания, следовательно, каждый участок роста или падения в одном полупериоде является четвертью периода. Поскольку после окончания периода новый период будет повторять все, что происходило в первом, но со сдвигом во времени, то считается, что период представляет из себя круговую диаграмму, сдвиг которой во времени дает нам синусоидальную линию. Круговая диаграмма, естественно, состоит из 360 градусов, полупериод - 180 градусов, четверть периода - 90 градусов.

Сдвиг диаграммы по окружности и называется фазой переменного тока.

Практически трехфазная сеть представляет из себя три одинаковые сети, соединенные особым образом так, чтобы получилось три провода линейных провода.

Условно эти провода называются фазами сети.

При этом начало периода на каждой фазе сдвинуто относительно предыдущей на 120 градусов.

Возникает вопрос - для чего это было принято? Почему именно три, а не , скажем, четыре фазы?

Все дело в том, что питание трехфазным током позволяет наиболее просто создавать электрические машины - генераторы и двигатели. Если разместить три катушки по окружности под углом 120 градусов и вращать внутри них постоянный магнит, мы получим тот самый генератор трехфазного тока. Если при этом соединим вместе все три конца катушек в одну точку, а с трех начал снимать ток, то получим трехфазный генератор, с включением "звездой". Если же мы соединим конец  первой катушки (обмотки) с с началом второй, конец второй - с началом третьей, и конец третьей - с началом первой, мы получим соединение "треугольником". При соединении треугольником нейтральный (нулевой ) провод отсутствует.

Если точно так же разместить и соединить другие три катушки, и подать на них питание (напряжение) с вышеописанного генератора, внутри окружности, по которой расположены катушки, возникнет вращающееся магнитное поле. Поместив туда специальным образом изготовленный ротор, мы увидим, что он начнет вращаться.

Таким образом мы получим простейший трехфазный двигатель переменного тока. при этом, направление вращения двигателя зависит от порядка подключения фаз - если , допустим, при подключении фаз в порядке АВС двигатель вращается вправо, то достаточно поменять местами две фазы, неважно какие - включить АСВ или ВАС, двигатель будет вращаться в противоположную сторону , независимо от направления вращения генератора.

     На этом, пожалуй, достаточно общих знаний о  промышленном переменном токе, осталось только разьяснить , что такое активные и реактивные нагрузка, ток и мощность. Это мы сделаем в следующей статье, так как эта уже стала слишком длиной и неудобной для чтения.

     А дальше уже будем конкретно говорить об антеннах .