Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд Страница 45

Как на самом деле работает радио?

Представьте себе, что вы хотите поговорить с другом в Африке, но у вас есть только один электрон. Одна из «мух», которые жужжат в пустом кафедральном соборе атома. Сможете ли вы решить свою задачу? Теоретически да. Когда по проводам идет электрический ток, он создает магнитное поле. Вы сможете увидеть это, если положите компас рядом с электропроводом: вы заметите, как задвигается его стрелка. Дело в том, что вокруг провода с электрическим током образуется магнитное поле. Оно и заставляет стрелку двигаться. А переменное (колебательное) магнитное поле создает поле электрическое. Когда вы крутите педали велосипеда с включенным динамо, то заставляете ротор в виде катушки медной проволоки вращаться внутри статора – магнита. Магнитное поле в катушке постоянно пульсирует, то есть совершает колебания, индуцируя электричество, питающее лампочку велосипеда [174]. За исключением солнечной энергии, практически всё электричество, используемое нами, производится электромагнитными генераторами того или иного типа.

Создайте свою радиостанцию

Представьте себе, что вы берете единственный электрон и сильно встряхиваете его вверх и вниз, как бутылку с застрявшим кетчупом. У электрона отрицательный заряд, и его перемещения создают магнитное поле. Колебания магнитного поля создают поле электрическое. Перемещение заряда вверх и вниз генерирует одновременные взаимосвязанные электрическое и магнитное поля, которые обусловливают друг друга. Электромагнитное излучение исходит вовне от двигающегося электрона в виде волн со скоростью света. Именно их мы и имеем в виду, когда говорим о радиоволнах.

В практическом смысле для генерации радиоволн лучше всего заставить электрон двигаться вверх и вниз по металлическому стержню – радиоантенне. Можно превратить принимаемую радиоволну в электрические заряды, сигналы и звуки, которые вы услышите с помощью второй антенны (у приемника), так же как вибрацию электрона – в излучаемую радиоволну (из передатчика). Длина антенны должна составлять половину длины радиоволны, которую она передает или принимает. В случае мобильных телефонов, которые работают в диапазоне частот порядка 2 ГГц, микроволны, несущие речевое сообщение, имеют длину порядка 15 см [175], так что антенна должна быть длиной примерно с ваш мизинец (она может выдвигаться из корпуса телескопически либо, как в современных устройствах, быть встроенной в корпус). Транзисторные радиоприемники, работающие в диапазоне FM, используют более низкие частоты, чем мобильные телефоны (и большую длину волны). Как и более старые мобильники, эти радиоприемники оборудуются телескопическими антеннами длиной 1–1,5 м. Посчитайте, и вы увидите, что это примерно половина длины волны обычной радиопередачи в диапазоне FM [176].

Расстояние не помеха

Как и световые волны, радиоволны распространяются чаще всего по прямой. Если бы это было всегда так, то радиопередатчики приносили бы нам не больше пользы, чем маяки. Их сигналы просто «уходили» бы в космос, не позволяя использовать их для передачи сигнала на расстояние больше 15–30 км [177]. Радиоволны так хороши для связи, поскольку способны легко огибать сферическую поверхность Земли. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, если высокая радиомачта соединена с Землей, планета сама служит нижним плечом антенны. Представьте себе, что радиомачта стоит на поверхности озера с абсолютно спокойной водой. Если посмотреть со стороны, то мачта покажется вдвое выше: сама антенна плюс ее отражение в озере. То же происходит с заземленной радиомачтой: планета проводит электричество и служит подобием зеркального продолжения мачты. Когда радиоволна исходит от передающей антенны, она естественным образом окружает контуры планеты, превращаясь в поверхностную волну [178].

▲ Как работает транзисторное радио. Транзисторный приемник принимает радиоволны, распространяющиеся в воздухе. Когда волны (электромагнитное колебание) попадают на антенну, по ней начинают двигаться электрические заряды. Это создает электрический ток, который встроенная в приемник специальная цепь преобразует в звуковой сигнал. Входящие сигналы обычно очень слабые; транзистор – компонент радиоприемника, который усиливает их.

Вторая причина, по которой радиоволны могут распространяться на очень дальние расстояния, еще интереснее. Если вы используете радиоприемник на средних волнах, то ночью можете услышать треск и шипение зарубежных станций, которые не слышны днем. Здесь свою роль играет часть земной атмосферы, называемая ионосферой. Она занимает слой высотой от 60 до 500 км (по меньшей мере в шесть раз выше, чем летают пассажирские самолеты). В ней содержатся ионы с положительным зарядом. Она проводит электричество. Ионосфера находится под сильным воздействием солнечной радиации, поэтому ее поведение днем и ночью разительно различается. Днем нижние слои ионосферы поглощают радиоволны и не дают им распространяться далеко. Ночью эффект уменьшается, и более высокие слои ионосферы отражают радиоволны, как зеркало. В этих слоях отражаются и направляются к поверхности Земли сигналы, которые иначе вырвались бы в просторы космоса. Некоторые радиоволны постоянно курсируют между поверхностью Земли и ионосферой, путешествуя с одной стороны планеты на другую.

Чудо природы – способность радиоволн отражаться от небес – привело в восторг и одновременно вызвало конфликт у величайших умов своего времени. Когда Маркони отправил свои радиоволны из местечка Полду в Британии и они достигли отстоявшего от него на 3200 км Ньюфаундленда, Александр Белл не поверил, что это правда. Он сказал: «Я сомневаюсь, что Маркони сделал это. Это невозможно». Томас Эдисон проявил большую открытость, заявив: «Я хотел бы увидеться с этим отважным молодым человеком, который рискнул предпринять такую попытку и достиг успеха в запуске электрической волны через Атлантику» [179].