Страница:Радиофронт 1930 г. №28-29.djvu/29

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок
Эта страница не была вычитана


155

стратосфере начинается на высоте в 500 или 700 км над землей и характеризуется настолько большой разреженностью, что свободные пути молекул достигают нескольких километров или десятков километров. Быстрое увеличение длины свободною пути о увеличением высоты приводит к тому, что молекула, движущаяся вверх, имеет свободный путь гораздо больший, чем молекула, движущаяся вниз. Поэтому тепловое движение в газе должно принять здесь очень своеобразный характер. Молекулы, подобно мячам, подскакивают вверх на значительную высоту, после чего падают вниз до определенного предела, где длина свободных путей мала, и после столкновения вновь подпрыгивают кверху. Здесь время между двумя последовательными столкновениями, испытываемыми молекулой', начинает измеряться сначала минутами, а дальше—часами и сутками. Энергия, которую молекула получает, остается в ее «индивидуальном владении» столь долгое время, что она может быть перенесена в совершенно другую часть земного шара раньше, чем произойдет следующее столкновение.

С точки зрения прохождения коротких волн наибольшее значение имеет средняя часть стратосферы на высоте между 50 и 700 км над землей. Под действием солица и других источников радиации в этой части образуется значительное количество свободных электронов, обусловливающих преломление электрических волн; в этой же области наблюдаются и .другие явления, связанные с ионизацией газа, в частности полярное сияние, которое главным образом происходит на высоте 90—100 км и редко распространяется за указанные пределы высот.

II. Преломление электромагнитных волн в ионизированной среде

Существование мертвых зон вблизи передающей коротковолновой станции указывает о несомненностью, что излученная энергия сначала покинула землю, а затем была возвращена из верхних слоев атмосферы под влиянием какой-то причины обратно. Для объяснения этого можно предположить, или что волны отражаются от какого-то резко ограниченного проводящего слоя в верхних слоях, или что лучи испытывают более или менее постепенное преломление и загибаются таким образом обратно на землю. Первое предположение было выдвинуто в свое время Хевизайдом для объяснения огибания длинными волнами кривизны земли, второе предположение было сделано и обосновано Лярмором и в настоящее время является общепризнанным.

Причиной преломления является присутствие в атмосфере заряженных частиц и, в особенности, присутствие свободных электронов, которые приходят в движение под влиянием электрического поля волны в создают свонм движением в пространстве новые волны, складывающиеся о волнами передатчика.

Представим • себе, что в пространство, содержащее свободные электроны, приходит электромагнитная волна. Это значит, что в каждой точке пространства существует переменное электрическое поле. Если это поле синусоидально, то в пространстве существует электрическая сила Е=Ео sin (tot); на электрон, имеющий заряд — £ и массу m вследствие присутствия поля действует сила Л= =—£.Е=—Ео£ sin (tot). Под влиянием этой

силы ои получает ускорение, которое, как известно из механики, численно определится частным от деления силы на массу. Таким образом, ускорение будет

j = — = — —— sin (tot), (1)

а отсюда определится его скорость v

v = cos (tot). (2)

Как мы видим, эта скорость в каждый момент времени различна и меняется по синусоидальному закону. Иными слова- О ТРДО+СЯКЗЩИЙ слой

ми, электрон будет соверша/гь колебательное движение по направлению электрического поля. Масса электрона равняется 0,9,10-27 гр; заряд его 4,5.10-10 эл.-ст. единиц. Таким образом, если известно напряжение электрического поля, создаваемого волной, то можно вычислить скорость движения электрона.

Так как электрон несет в себе (отрицательный) заряд—£, то движение его представляет собой ток, сила которого i (или,—что одно и то же,—количество принесенного в единицу времени электричества) будет.

i = — £ — — £■ —cos tot. (3)

mto '

Поэтому мы в праве рассматривать электрон как точечную антенну,, в которой существует ток i частоты <о, излучающий электромагнитную волну так же, как ее излучает передающая станция. В этом и заключается механизм, благодаря которому присутствие электрона вносит искаженно в распространении волны, приводящее в конечном итоге к искривлению пути электрического луча. То же действие произведут и заряженные молекулы; однако, вследствие большой массы, их скорости будут в несколько тысяч раз меньше, чем скорость свободных электронов, и влияние на распространение волн соответственно меньше.

Как видно из выражений, определяющих изменение поля и изменение скорости по времени, волна, образуемая н пространстве движением электрона, запаздывает по фазе относительно той волны, которая вызвала его движение, на 90°. Поэтому в каждой точке пространства, заключающей свободные электроны, б о- лее поздняя фаза волны наступает раньше, чем это имело бы место в отсутствии электрона. Если бы мы следили, например, за движением гребня волны, то вследствие этого он. представился бы нам движущимся быстрее в присутствии электронов. Поэтому, вступая в ионизированный слой, волна получает большую скорость фазы (скорость перемещения гребня) в той части, где ионизация больше п благодаря этому загибается в ту сторону, где ионизация меньше.

Как видно из уравнения (3), сила тока, образуемого движением электронов, тем больше, чем меньше частота, т. е., другими словами, чем длиннее волна. Поэтому волны более длинные преломляются сильнее, н для возвращения их на землю нужно меньшее содержание электронов в каждом кубическом сантиметре пространства. В силу этой причины более короткие волны (от 20 до 30 ж) возвращаются иа землю только в условиях сильной ионизации (летом и днем), в то время как более длинные волны (от 40 до 100 м) возвращаются также и ночью. Если бы электроны находились в пустом пространстве, то преломление электрических волн не сопровождалось бы потерями энергии. Но в действительности электроны находятся среди газовых молекул и участвуют в тепловом движении газа; испытывая столкновения с молекулами, они отдают им энергию, полученную под влиянием электрического поля волны. Иными словами, энергия электрического поля при этом переходит в тепловое движение и нагревает газовую среду. Это ведет к расходу энергии, т. е. к поглощению электрической волны.

Более длинные волны испытывают большее поглощение, потому что . период колебаний и скорость движения электронов больше, вследствие чего повышается вероятность столкновения элеюгроиа о молекулой. Если, например, под влиянием волны в 20 ж электрон успевает в среднем совершить 100 колебаний, а энергию 101-го колебания потеряет при столкновении, то при волне н 100 м он сможет в тех же условиях совершить всего лишь 20 колебаний до момента столкновения. Таким образом, очень грубо говоря, в нервом случае израсходуется в (родием 1 о/о энергии, а во втором—5°/о энергии, полученной им от волны. Кроме того большему поглощению длинных волн содействует то обстоятельство, что они испытывают преломление в более низких слоях атмосферы, где давление больше и столкновения чаще, но где для преломления этих более длинных волн оказывается уже .достаточно электронов. Более короткие волны, требующие для своего возвращения на землю большей концентрации электронов, преломляются при тех же условиях в более высоких слоях атмосферы, где столкновения происходят реже. Вот почему передача волнами между 40 и 100 м становится невозможной днем, когда ионизация сильнее и когда загибание волн происходит иа относительно небольших высотах.

III. Причины ионизации и высота преломляющего слоя

Наблюдаемая на опыте разница между дневными и ночными условиями распространения электромагнитных волн объясняется главным образом действием солнечного света. Однако и в областях, лишенных солнечного освещения, в течение весьма длительного промежутка времени, как, например, в области полярной ночи, распространение коротких волн имеет место, причем волны в 30: и 40 м могут служить для радиосвязи в тече-

ОТРП&СЯКЩИЙ слой

пие всей полярной ночи. Замечательно, что экспедиция Бэрда, находившаяся в 1929 г. на Южном полюсе, сообщалась с Соединенными штатами в течение полярного дня на самых коротких волнах, несмотря на то, что солнечные лучи имеют здесь большой наклон и не могут произвести значительной ионизации. Нашему радиосшециалисту т. Кренкель, находившемуся в то же гремя на Земле Франца Иосифа, т. е. вблизи Северного