Приёмники выживальщика - 11: фанатизм на службе у перфекционизма
В прошлый раз мы познакомились с внешними контурными антеннами. Которые пассивные - но при этом работают как усилители. От чего же зависит усиление и эффективность такой антенны?! От добротности.
Ответ краткий - а главное понятный! Придётся немножко рассказать про добротность. Точное математическое и физическое определение давать не буду, распедалю на пальцах. Внешняя контурная антенна является (ВНЕЗАПНО!) колебательным контуром (это я уже рассказывал в прошлом выпуске). Идеальный колебательный контур работает без потерь энергии - последняя в нём только переходит от конденсатора к катушке и обратно - и так без конца. В реальном же контуре энергия в означенном процессе по дороге постепенно протеривается. И вот степень этих потерь и измеряется добротностью: чем потери больше - тем добротность контура ниже, чем потери меньше - тем добротность выше. И эта самая добротность непосредственно влияет на то, как данный контур реагирует на внешнее воздействие близко к резонансной частоте.
реакция контуров с разными добротностями на внешний сигнал
Из чего вывод понятно какой: добротность контура для нашей задачи нужно повышать. То есть снижать энергетические потери. Куда же она теряется?! В значительной степени уходит в тепло. В прошлом выпуске я рисовал схему нашей контурной антенны - но я на ней изобразил идеальный контур. Если изобразить реальный, схема получится такая:
реальный (а не идеальный) колебательный контур
Как видим, в схеме появилось активное сопротивление. Вот в нём и происходит потеря энергии: в контуре течёт ток - а в сопротивлении выделяется тепло. Как мы помним из школы, мощность тепловыделения W = R × I2. Значит, сопротивление надо уменьшать. А что это за сопротивление?! А это сопротивление провода, из которого намотана катушка. Опять же из школы вспоминаем, что сопротивление проводника пропорционально его длине и обратно пропорционально площади сечения. То есть для уменьшения сопротивления нужно уменьшать длину и увеличивать сечение. Длину в нашем случае не уменьшишь - потому что у катушки должно быть заданное число витков. А толщину я и так взял максимально возможную. Провод толще на маленьких катушках уже просто не продаётся. Да и толстенный заколебёшься наматывать, да. И выходит, что ничего уже не поделать - и так уже сделан максимум возможного.
Но вообще-то... Вообще-то есть один нюанс. По нашей катушке ток течёт не постоянный. И не просто переменный - а высокочастотный. А при высоких частотах ток в проводнике течёт не по всей толще, а только по поверхности. Это так называемый скин-эффект (от английского skin - кожа). Этот самый скин-эффект непосредственно следует из уравнений Максвелла и дифференциального закона Ома. До сих пор помню, как в универе на курсе общей физики лектор формулу за формулой вывел этот скин-эффект и как меня тогда последний потряс. Вы представляете: на высоких частотах ток не течёт в толще проводника - но только по поверхности! Нет, вы, видимо, не представляете... Благодаря этому, кстати говоря, можно показывать очень эффектные фокусы, пуская молнии из рук. Никола Тесла, например, так делал. Если ток высокочастотный, то даже при больших напряжениях он для человека совершенно безопасен - потому что не протекает сквозь организм и не наносит тому вреда. Протекает только по поверхности кожи - а для неё это безвредно. Более того, так даже лечат некоторые кожные болезни.
Однако к нашей теме. Сказанное выше значит, что в рамках нашей задачи сопротивление определяется уже не площадью сечения проводника, а периметром этого сечения. Иными словами, нужно увеличивать поверхность. Для постоянного тока и тока на низких частотах периметр вообще безразличен. В нашей задаче он всё! А как можно увеличить периметр, сохраняя ту же площадь сечения? Не, можно, конечно, свернуть тонкую фольгу в рулончик... Но вообще-то проще всего разбить один толстый провод на много изолированных тонких. Понятнее всего, когда имеем дело с квадратным сечением. Вместо одного толстого провода то же сечение забиваем проводками вдесятеро тоньше:
Каждый проводок вдесятеро тоньше - и поэтому имеет вдесятеро меньший периметр, то есть вдесятеро большее сопротивление. При этом самих проводков в сто раз больше. Итого выигрыш по сопротивлению получается десятикратный.
В общем случае, если у нас проводки в n раз тоньше, то сопротивление каждого в n раз выше, а общее их количество N = n2. И в итоге получается Rновое = Rстарое × n/N = Rстарое/n = Rстарое/√N.
То есть при том же сечении выгода получается как корень квадратный из количества тонких жилок. Это в случае квадратного сечения. В случае круглого немного сложнее - потому что там между плотно упакованными жилками остаются пустоты:
плотная упаковка круглых жилок
В таком случае N = n2 × π/(2√3) - можете сами посчитать. И в результате Rновое = Rстарое × n/N ≈ 1,05 × Rстарое/√N.
То есть закономерность та же, только появился коэффициент. Надеюсь, не слишком я утомил вас формулами. Знаю, что мало кто их любит. Но дальше их не будет. Главное, что я хотел донести - что вместо одного толстого провода нужно использовать связку изолированных тонких. Такой кабель действительно выпускается и продаётся - называется литцендрат. Это жгуты из тонких изолированных медных проволочек, стянутые шёлковой или лавсановой оплёткой.
литцендрат на 119 жил
Минусы литцендрата такие:
1) Он ГОРАЗДО дороже обычной проволоки.
2) Его трудно паять. Каждая жилка в лаковой изоляции - но каждую жилку нужно облудить и запаять. Это геморрой - но преодолевается паяльной кислотой. За неимением последней можно лудить на таблетке са́мого простого аспирина. Аспирин - это ацетилсалициловая кислота - которая неплохо себя показывает и в качестве паяльной. Про этот способ я узнал ещё в детстве от бати. Желательно только после промыть место пайки раствором соды.
В общем... В прошлый раз я уже показывал вам самодельную контурную антенну для средних волн:
контурная антенна для приёма средних волн
Попробуем намотать такую же литцендратом. И получается вот такое:
контурная антенна для приёма средних волн, намотана литцендратом
Красота, правда?! За один лишь провод для намотки я заплатил 4000 рублей. Дело было ещё весной, задолго до сегодняшнего бешеного курса доллара. То есть это дороже любого из моих приёмников выживальщика. Это, блин, четыре хорошие «Спидолы»!
И знаете, какой вышел результат? Никакого. Улучшений по сравнению с простым толстым медным проводом я не заметил. Не знаю, в чём дело. Может, руки у меня кривые - но вроде прямые, только что сверил по линейке. Может, запаял хреново - но вообще-то я лудил с изуверской тщательностью, поскольку знал, что именно это - самый ответственный пункт. Скорее всего, дело в том, что в такой антенне более существенными становятся не тепловые, а потери на излучение. Такая антенна ведь ещё и излучает электромагнитные волны - и может излучать довольно серьёзно. Вполне вероятно, что именно излучение вносит главный вклад в сопротивление потерь. В общем, хрен знает. Но не заработало так, как я ожидал.
Жалею ли я о потраченных деньгах, времени и силах? Нет. Потому что теперь я ЗНАЮ. И это знание для себя считаю ценным.
Так или иначе, хитрый план не сработал. Значит, нужен хитрый план Б. О нём в следующем выпуске.
P.S. Последующие более тщательные сравнения показали, что всё-таки есть выигрыш в отношении сигнал-шум где-то 2-5 дБ. Но как по мне, это не та прибавка, ради которой сто́ит разоряться на литцендрат.