Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6  7  8 | Следующая страница реферата

Открытое ранее свойство двух находящихся в соприкосновении кристаллов пропускать ток в одном направлении послужило основой для изобретения кристаллического детектора. После ряда специальных исследований Браун и Пиккар нашли подходящие пары для кристаллических детекторов. "Уже в 1874 г. Браун пишет об открытых им явлениях следующее: если пропустить электрический ток через медный колчедан, пирит (железный колчедан), галенит (свинцовый блеск), блеклую руду и т.п. минералы, то наблюдается тот факт, что сила тока не пропорциональна ЭДС. Если же при этом электроды находятся в различных минералах, тогда сила тока зависит от знака приложенной разности потенциалов. Браун обнаружил в своей первой экспериментальной конфигурации тридцатипроцентное различие в силе тока при смене полярности. В усовершенствованном варианте эксперимента можно было говорить об отсутствии обратного тока вообще. Это явление, которое представляет собой отклонение электропроводности от закона Ома и характерно для однополярной проводимости, нашло свое важное применение: на нем основываются открытые Брауном и введенные в практику телеграфии без проводов кристаллические детекторы" [57].

Формирование новых теоретических схем радиотехники идет по двум основным направлениям: 1) в плане развития и конкретизации "универсальной" теоретической схемы электромагнитных взаимодействий путем заполнения диапазона практически используемых радиоволн (с одновременным развитием методов исследования их физических свойств); 2) в аспекте разработки специфической обобщенной теоретической схемы радиотехники на базе анализа конструкций различных радиотехнических систем, включая развитие средств их синтеза.

Построение технической теории - теоретической радиотехники

"Телеграфия без проводов" первоначально представляла собой прикладное исследовательское направление электродинамики. Позже она стала рассматриваться как новый раздел (область исследования) электротехники, задача которого заключалась в совершенствовании приема электромагнитных волн, борьбе со всевозможными видами помех, использовании тока высокой частоты. В ранних курсах по радиотехнике еще значительное место занимает электротехническая часть, так как радиотехника пользуется различными стандартными электротехническими устройствами и элементами. Поэтому радиотехнические цепи рассматриваются первоначально как разновидность электротехнических цепей, работающих на токах высокой частоты. В данном случае можно говорить о переносе исходной теоретической схемы и соответствующих ей понятий, представлений и методов анализа из смежной технической теории.

В процессе переработки этой схемы, взятой из электротехники, на основе нового эмпирического материала (иных конструктивных элементов) происходит ее коренное преобразование. Радиотехнические схемы имеют ряд существенных отличий от электротехнических цепей. А это влечет за собой и необходимость изменения их исходной электротехнической модели. Так, для получения токов высокой частоты в радиотехнике стали применяться методы, неизвестные в электротехнике, свободные колебания, не связанные с проводами и совершенно новые приборы и устройства. "Методы измерения силы тока, напряжения и т.д. невозможно было непосредственно заимствовать из тогдашней электротехники. Появлялись совершенно новые устройства новой измерительной техники: измерение частоты или длины волны и логарифмического декремента" [58]. Кроме того, изменяется и масштаб многих электротехнических величин. Радиотехнику приходится учитывать такие величины, которые слишком малы и не представляют интереса при изучении техники медленных изменений электрического тока. Другими словами: достигается соответствие двух слоев технической теории - поточных (описывающих физические процессы, протекающие в радиотехнических устройствах) и структурных (задающих конструктивно-технические параметры этих устройств) схем.

Параллельно разрабатываются частные теоретические модели, такие, как теория усилителей, теория пустотных (ламповых) генераторов переменного тока и т.п., образующих отдельные островки теоретического исследования. Все частные теоретические вопросы, касающиеся конструктивных элементов радиотехнических систем (например, электровакуумных приборов), и более детальное описание конструкции их подсистем (радиоприемников, радиопередатчиков, антенн [59] и т.д.) постепенно выносятся в специальные курсы. В результате выделились некоторые вопросы, представляющие общий интерес для всякого радиотехнического устройства. Частные теоретические схемы перерабатываются и систематизируются с одновременным их обобщением.

Проблема введения однородных идеальных объектов радиотехнической теории, позволяющих установить соответствие ее функциональной, поточной и структурной схем, на уровне традиционных электротехнических элементов решалась относительно просто.

Во-первых, уже в электротехнике было установлено однозначное соответствие между всеми этими идеальным объектами (емкостью, индуктивностью, сопротивлением) и конструктивными элементами реальных электрических схем (конденсаторами, катушками индуктивности, резисторами). Во-вторых, цепь, построенная из идеальных объектов, с помощью специально разработанных в электротехнике приемов может быть представлена в виде произведения некоторого количества операторов. Рассмотрение радиотехнических систем с точки зрения теории цепей значительно упрощает задачу их исследования, поскольку огромное разнообразие конструктивных элементов, отличающихся своими характеристиками, принципом действия, конструктивным оформлением и т.д., заменялось сравнительно небольшим количеством идеальных элементов и их соединений, представляющих реальные элементы и связи. Любая электротехническая цепь может рассматривается как совокупность идеализированных двухполюсников, действие каждого из которых может быть описано линейным оператором, преобразующим входящий ток в выходящий - и тот и другой представляются в этом случае вектором, характеризующим максимальное (или действующее) значение силы тока и его фазу. Одна из наиболее распространенных электротехнических схем - это трансформатор, преобразователь тока и/или напряжения, "в простейшем случае состоящий из 2 обмоток, первичной и вторичной, снабженный, как правило, ферромагнитным сердечником. Прохождение переменного электрического тока в первичной обмотке трансформатора индуцирует ЭДС во вторичной обмотке".

Американский инженер сербского происхождения Никола Тесла (1856-1943) пытался использовать этот принцип для беспроводной передачи энергии. Для этого в цепь первичной обмотки трансформатора включался колебательный контур с искровым прерывателем. В 1897 г. в Нью-Йорке он получил патент на "Электрический преобразователь", известный также под названием "трансформатора Теслы" (см. рис. 17) [60].

Несколько сложнее обстоит дело с нелинейными элементами радиотехнических цепей (например, радиолампами). Но и они для токов и напряжений, соответствующих линейным участкам их вольт-амперных характеристик, могут быть рассчитаны с помощью традиционных электротехнических методов.

К началу 20-х гг. телеграфия без проводов из полулюбительского изобретательства, где преобладали интуиция и искусство, превратилась в инженерную дисциплину, покоящуюся на твердом фундаменте технических расчетов и проектирования. Электрическая телеграфия "использует лишь слабые электрические токи и низкие напряжения по сравнению с сильноточной электротехникой. Тем не менее законы распространения электрического тока остаются в обеих этих областях одни и те же" [61]. В дополнение к этому разрабатываются новые методы и теории, например теория электрических цепей. "Доминирующая до конца XIX столетия сильноточная электротехника (машиностроительный период развития электротехники) была в основном ориентирована на практический опыт и поэтому не могла решающим образом помочь развитию теории электрических цепей. [...] Впервые в начале нашего столетия быстро развивающаяся слаботочная электротехника (телефонии и беспроволочной телеграфии) дала решающий импульс становлению самостоятельной теории электрических цепей и стала в этом виде исходным пунктом для многочисленных математических подходов" [62].

В радиотехнических системах постепенно выделились качественно иные, нежели в электротехнике, конструктивные блоки-подсистемы: колебательные и связанные контуры, фильтрующие цепи, усилители низкой, промежуточной и высокой частоты, модуляторы, детекторы, мультивибраторы, генераторы, ограничители, линии задержки и т.п. Эти конструктивные блоки, однако, могут иметь различную физическую основу, не обязательно сводимую к электротехническим элементам. Вокруг каждого такого блока группируются особые теоретические знания. Другими словами эти блоки сами представляют собой различные частные теоретические схемы, являющиеся, в свою очередь, обобщением конструктивных схем конкретных радиотехнических устройств, Например, главное свойство дроссельных фильтров (низких частот) и фильтров верхних частот - "явно выраженное предпочтение или подавление определенных диапазонов частот. Именно поэтому их называют "сепараторами" или "фильтрами". Вагнер выделил четыре основных типа фильтров: низких частот, высоких частот, полосовой фильтр и полосовой заграждающий фильтр. Кэмпбелл независимо от Вагнера пришел к аналогичным результатам, но опубликовал их лишь в 1922 г. Частотные характеристики этих цепей, состоящих из катушек индуктивности и конденсаторов (реактивных четырехполюсников) могут быть рассчитаны с помощью теории Вагнера. Возникший при этом "анализ электрических цепей" был настолько успешным, что стал применяться для расчета акустических и других механических колебательных систем. В то время как техника связи еще несколько десятилетий прежде должна была заимствовать аналогии из других научно-технических дисциплин, теперь ее теоретический аппарат настолько расширился, что она смогла возвратить полученное с процентами" [63]. Все эти блоки радиотехнических систем могут быть исследованы едиными методами в специально развитой для этого теории четырехполюсников. Монолитную или твердотельную схему, изготовленную как единый блок с помощью планарной технологии, можно теоретически представить как электронную схему, состоящую из резисторов, конденсаторов и т.п. Например, четырехполюсную интегральную схему можно представить в виде линии передачи с дискретными или распределенными элементами, т.е. состоящей из двухполюсников (см. рис. 18) [64]. Эта модель представляет собой схематическое "описание в форме соответствующей схемы замещения".

На рис. 18 а представлена дискретная схема замещения "сначала для длины р" (см. рис. 18 в). "В данном случае индуктивность и омические потери цепи электрического тока высокой частоты учитываются с помощью введения элементов L и R и за счет непроводимости диода в одном направлении, для рассматриваемой полосы высоких частот через последовательное включение зависимой от напряжения емкости перехода C(U) и электронной проводимости G. Периодическая нелинейная линия передачи (NLTL) в целом [см. рис. 18 в] представляется с помощью цепочки нескольких таких схем замещения, которые также обозначают ячейки", что на рис. 18 в показано пунктиром. "При пренебрежении сопротивлением элементов циклическое повторение подобных ячеек (с чередованием последовательного и параллельного включения ветвей) приводит к схеме замещения в форме многозвенной LC-цепи с характеристикой фильтра низких частот. Для вывода волнового уравнения примененной здесь модели примем теперь, что при распространении волн по нелинейной линии передачи длина любых появляющихся в ней волн является достаточно большой по сравнению с длиной периода р" (рис. 18 в). Тогда схема замещения с распределенными элементами на рис. 18 б "будет полезной для описания нелинейного распространения волн по всей нелинейной линии передачи. На этой схеме замещения описывается с помощью индуктивности, последовательно включенного резистора, а также зависимой от напряжения емкости перехода и электронная проводимость проводника через соответствующие проводящие пластины" [65].

Теоретическое исследование схем с включенными в них реактивными элементами (сопротивлениями, конденсаторами, катушками индуктивности, трансформаторами) позволяет устанавливать соотношения между силой тока и напряжением в какой-либо электрической цепи в соответствии с правилами, сформулированными Кирхгофом и Гельмгольцем. Распространение этих правил на случай переменного тока сделало "принципиально возможными расчеты электрических цепей, содержащих не только [омические] сопротивления, но и конденсаторы (емкости) и катушки индуктивности (индуктивности)" [66]. Последние зачастую стали называть соответственно емкостными и индуктивными сопротивлениями. Любой проводник (например, кусок медной проволоки) может быть представлен на эквивалентной схеме для цепи постоянного тока омическим сопротивлением. Для цепи переменного тока низкой частоты должно быть добавлено индуктивное сопротивление, для переменного тока высокой частоты - еще и емкостное сопротивление. В русском языке термин "сопротивление" (или эквивалентное сопротивление) означает в первую очередь идеализированный элемент (абстрактный объект технической теории - физическую величину) идеализированной электрической цепи (поточной схемы) в отличие от "сопротивления" как конструктивного элемента (радиодетали) реальной электрической цепи (структурной, или конструктивной схемы), называемого "резистором" (от англ. "resistor"). Таким образом одна и та же реальная электрическая цепь, состоящая из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, соединенных между собой проволочными проводами, может быть представлена для разных режимов функционирования этой электрической цепи различными эквивалентными схемами: для постоянного тока достаточно представить ее в виде (поточной) эквивалентной схемы - схемы замещения, состоящей только из омических сопротивлений. Для переменного тока низкой частоты к ним добавляются индуктивные сопротивления, а на высокой частоте следует учитывать и емкостное сопротивление данной цепи.

На примере последовательного соединения омического сопротивления, индуктивности и емкости видно, каким образом могут строиться эквивалентные схемы пассивного двухполюсника (последовательного колебательного контура, изображенного в виде двухполюсника), где индуктивность заменяется индуктивным сопротивлением, а емкость - емкостным сопротивлением (см. рис. 19) [67].

Для проведения расчетов с использованием законов Ома и Кирхгофа эквивалентная схема должна быть сведена к еще более простой эквивалентной (функциональной, или математической) схеме, т.е. определенным образом идеализированной электрической цепи - схеме замещения более высокого уровня абстракции [68]. Первые экспериментальные и теоретические результаты были получены Омом еще в 1824 г. Всего три года спустя позже он издал книгу под названием "Математически обработанные гальванические цепи", которая содержит все существенные законы электрических цепей. Однако он интересовался в первую очередь открытием физических закономерностей, а поэтому не использовал свои достижения для расчета больших электрических цепей. Гораздо больший вклад в становление теории расчета электрических цепей внес Кирхгоф. Он сформулировал в своей первой работе 1845 г. названные его именем законы в несколько более общей форме, чем у Ома. Собственно, рож дение теории электрических цепей следует, однако, отнести к 1847 г., когда Кирхгоф опубликовал свою работу под названием "О решении уравнений, с помощью которых проводится исследование линейного распределения гальванических токов". В этой работе впервые дается методика анализа электрических цепей с применением теории графов. В работах «О сохранении силы» (1847) и «О некоторых законах распределения электрических токов в телесных проводниках с применением для опытов с животным электричеством» (1853) Гельмгольц заложил основы динамической теории электрических цепей и «теории двухполюсников». Окончательную форму теория приобрела благодаря Флемингу и Штейнмецу, перенесшим на «линейные RLC-цепи с синусоидальным возбуждением» методы, развитые для линейных электрических цепей, состоящих из омических сопротивлений [69].

Любой реактивный двухполюсник можно представить в виде омического сопротивления, индуктивности и емкости, а можно - в виде комплексного сопротивления (Z). Активный двухполюсник может быть заменен эквивалентной ЭДС с внутренним сопротивлением z. Выделяя в электрической цепи замкнутые контуры и производя соответствующие замены активных и реактивных двухполюсников, можно получить систему линейных уравнений для всех токов и напряжений в сети (см. рис. 20) [70]. Число независимых контуров определяется соотношением n - р - q + 1, где р - число ветвей в графе, представляющем сеть, q - число его узлов. В каждом контуре вводятся свои токи. Первое правило Кирхгофа требует равенства нулю суммы всех токов в каждом узле графа, второе - равенство нулю суммарного падения напряжения в каждом контуре.

Например, схема, представленная на рис. 21 я, может быть сведена к графу, имеющему 3 узла (q = 3) и 5 ветвей (п = 5) (рис. 21 б) [71].

"Каждому физическому процессу будет точно соответствовать определенная математическая операция. Электрическая цепь, состоящая из омических сопротивлений имеет при данных ЭДС лишь одну единственную схему распределения напряжений или токов, т.е. ее линейные уравнения имеют единственное решение. Такая однозначность выводится уже из законов Кирхгофа, которые в свое время быстро приобрели права гражданства.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: заболевания реферат, конспект урока по математике.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6  7  8 | Следующая страница реферата