Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Армстронг изобрел новый тип модуляции — частотный. При частотной модуляции изменяется не амплитуда несущей волны, а ее частота. При частотной модуляции внешние электромагнитные излучения практически не влияют на качество принимаемого сигнала, кроме того, частотная модуляция позволяет качественно передавать более широкий диапазон звуковых волн.

А сама катодно-лучевая трубка постепенно переродилась в устройство, полностью затмившее радиоприемники в сердцах людей. Все началось тогда, когда физики, используя низкую инерцию электронов, научились быстро отклонять их поток.

Представим, что анод катодно-лучевой трубки выполнен в виде полого цилиндра. Стремящийся к аноду пучок электронов пролетит сквозь цилиндр и ударится о стенку трубки, выполненную из покрытого люминофором квадратного куска стекла. В точке, куда попадет пучок, возникнет яркое свечение.

Если на пути пучка электронов поместить два электрода и подать на один из них положительный заряд, то электроны начнут к нему притягиваться, и светящаяся точка появится уже в углу экрана.

Если понижать положительный заряд постепенно, то точка медленно поползет обратно к центру экрана. Когда же заряд станет равен нулю, точка опять будет в середине экрана. Если же подать на этот же электрод отрицательный заряд, а на второй — положительный, то точка начнет двигаться в противоположную сторону. Если снова подать максимальный заряд на первый электрод, то точка снова окажется на своем прежнем месте.

Это можно повторять до бесконечности. Если же чередовать заряды электродов достаточно быстро, то точка превратится в горизонтальную линию, так как глаз не сможет уловить ее перемещение. (Нечто подобное происходит и в кино. Если прокручивать кадры пленки, сделанные последовательно, на большой скорости, то картинка «оживает».)

Теперь добавим еще одну пару электродов, на этот раз расположенных горизонтально. С их помощью можно заставить светящуюся точку прочертить вертикальную линию.

Наибольший эффект достигается при использовании сразу двух пар электродов. Например, если заставить одну пару рисовать горизонтальную линию, а вторую подключить к источнику переменного тока, то на экране появится изображение синусоиды.

Если подключить вторую пару электродов к источнику электрических звуковых волн, то на экране появится кривая, отображающая параметры звуковой волны (впрочем, продольная звуковая волна на экране будет выглядеть аналогично поперечной, см. ч. I). Именно поэтому немецкий изобретатель Карл Фердинанд Браун (1850–1918) и назвал свое устройство осциллографом («рисующий волны»).

Электронно-лучевой осциллограф способен на гораздо большее. Представим, что напряжение второй пары электродов изменяется пошагово. Тогда, нарисовав на экране горизонтальную линию, электронный луч чуть поднимется и нарисует еще одну, потом еще и так далее. Таким образом, экран можно разделить на несколько сотен линий, и чем быстрее меняется напряжение, тем быстрее «бегает» электронный луч, то есть в секунду луч может пробежать по экрану несколько раз. Однако человеческий глаз будет видеть светящийся квадрат, хотя если придвинуться к экрану вплотную, то можно разглядеть, что квадрат состоит из многих горизонтальных линий, разделенных тонкими темными полосками. Эти полоски и отображают шаг изменения напряжения поднимающих электронный луч электродов.

По сути, это и есть телевизионная трубка. Чтобы на экране такой трубки появилась «картинка», нужно каким-либо способом регулировать интенсивность пуска электрона. Тогда на экране станут появляться более темные или более светлые точки, которые и формируют изображение.

Первым такой способ придумал русский физик Владимир Кузьмич Зворыкин (1888–1982). В 1938 году он изобрел иконоскоп (от греч., означает «картинка» и «смотреть»). Это устройство похоже на обычный фотоаппарат, только здесь вместо пленки используется пластина с большим количеством нанесенных на нее капель сплава цезия и серебра. Под действием света цезий отдает электроны, причем интенсивность электронной эмиссии прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, чем выше интенсивность, тем меньше электронов, и наоборот. Таким образом, на пластине остается «электронный» рисунок попадающего через линзу изображения.

Этот рисунок можно воссоздать на экране лучевой трубки: чем больше электронов осталось в одной точке пластины, тем ярче эта точка будет светиться на экране. Если же изображение на экране сменяется достаточно быстро, то создается эффект движущейся картинки.

Электронно-лучевой осциллограф также является частью устройства, использующего электромагнитные волны для определения расстояния до каких-либо объектов (аналогично применению звуковых волн в эхолокации).

Электромагнитные волны распространяются с точно известной скоростью — 300 000 километров в секунду. Если же электромагнитный импульс столкнется с преградой, то он, отражаясь от нее, вернется назад к источнику электромагнитного излучения. Остается лишь регулировать частоту волны: для проникновения сквозь туман, дождь и облачность необходимы волны более низкой частоты, а для более эффективного отражения от препятствий — более высокой. Идеальной является волна микроволнового диапазона, длиной от 0,5 до 100 см.

Зная скорость распространения волны и время, за которое сигнал долетел до препятствия и вернулся назад, можно определить расстояние до объекта. А по самому сильному отраженному сигналу можно определить направление.

Над разработкой подобного устройства работало сразу несколько ученых, но создать его первым удалось шотландскому физику Роберту Александру Вагсон-Ватту (1992–1972). Благодаря его прибору уже в 1935 году стало возможным отслеживать движение самолета по отражению микроволновых волн от его обшивки. Система получила название «радиообнаружение и определение дальности». По-английски система сокращенно называется радар.

Микроволновый импульс радара отклоняет луч осциллографа так, что на экране вместо горизонтальной линии появляется «клин» — эхо-сигнал, мощности намного меньшей мощности изначального импульса, так как возвращается лишь часть отраженных электронов, остальные разлетаются в разные стороны, отображается в виде меньшего по размерам клина. Так как электронный луч перемещается из стороны в сторону с огромной скоростью, то даже за те доли миллисекунды, которые необходимы для возвращения сигнала, между импульсом и эхо-сигналом образуется зазор. Именно по величине этого зазора возможно судить о расстоянии до объекта.

Можно поступить иначе, сконструировав специальную вращающуюся вокруг своей оси радарную антенну. Антенна будет принимать и усиливать слабые эхо-сигналы, а электронный луч вслед за вращением антенны рисовать на экране осциллографа линию от центра к краю экрана. Появляющиеся на экране яркие точки и будут отраженными от объектов эхо-сигналами. Тогда по расстоянию от точки до центра экрана можно будет судить о расстоянии до объекта, а по местоположению точки на экране — определить направление. При следующем обороте антенны вращающаяся линия «сотрет» все точки на экране и отобразит новые. Если использовать люминофор с более длительным свечением, то на экране появится грубое схематическое изображение длинных объектов. А если установить такой радар на самолет, то на экране появится приблизительная карта местности, так как электромагнитные волны отражает и земля, и вода, и листья, и бетон.