Разрешить эту задачу поможет любой материал, пропускающий ток в одном направлении и блокирующий в противоположном: он «выпрямляет» переменный ток в серию импульсов постоянного. К счастью, таким волшебным и ценным свойством обладают многие кристаллы. Железный колчедан, прозванный за свою обманчивую наружность «самоварным золотом», прекрасно справляется с задачей, и его легко отыскать. Широко применяется в радиоприемниках с кристаллическими детекторами и другой минерал — галенит (сульфид свинца). Это основная руда свинца, ее богатые залежи есть по всему миру, в разные века человек добывал из нее свинец для изготовления водопроводных труб, церковных кровель, мушкетных пуль и свинцово-кислотных перезаряжаемых аккумуляторов.
Включите кристалл в цепь с антенной и наушниками, поместив его в металлическую капсулу и приделав к ней еще один контакт в виде тонкого провода, так называемый «кошачий ус». Выпрямление происходит в месте соединения кристалла и тонкого контакта, но этот эффект неустойчив, и требуется терпение, чтобы методом проб и ошибок определить оптимальное расположение этих двух частей. Однако даже в отсутствие радиопередачи это примитивное устройство может улавливать радиоизлучение, порождаемое природными явлениями, например грозами. По сути, примитивный радиопередатчик работает по принципу искрового генератора, создавая быстрые последовательности искусственных грозовых разрядов.
В искровых генераторах искра проскакивает между двумя контактами под высоким напряжением. Каждая такая искра вызывает в антенне движение электронов и испускание краткой серии радиоволн. Если передатчик ежесекундно производит тысячи искр, испуская быструю череду радиоволн, в наушниках приемника будет раздаваться жужжание. Смонтируйте выключатель на стороне низкого напряжения трансформатора, питающего разрядник, чтобы управлять разрядами и испусканием радиоволн и кодировать сообщение в тире и точках.
В идеале вам нужно передавать по радиоволнам звуки, чтобы радиооператоры могли переговариваться друг с другом или вести передачи на широкую аудиторию. Морзянка основана на полном прерывании и возобновлении сигнала, но, чтобы передавать звук, требуется более тонкое воздействие, так называемая модуляция несущего сигнала. Простейший алгоритм называется «амплитудная модуляция» (AM): интенсивность несущего сигнала плавно меняется в пределах двух крайних значений, изящный график звуковых колебаний как бы пропечатывается поверх размашистой амплитуды радиоволны. К счастью, кристаллический детектор отлично справляется с «демодуляцией» сигнала в приемнике. Односторонняя проводимость кристаллического перехода в соединении с выравнивающим действием конденсатора убирают высокочастотный несущий импульс, оставляя только голос оператора и музыку.
Но если в округе не единственный мощный передатчик, а хотя бы несколько, через такой примитивный приемник вы будете слышать нераспознаваемую мешанину разных сигналов: антенна улавливает все передачи на различных частотах и все это транслирует вам в наушники. Для точной настройки в систему нужно добавить некоторые компоненты. Настройка передатчика повышает эффективность передачи, раскладывая ее энергию по узким полосам радиочастотного спектра, а приемник выбирает из многоголосой какофонии всего радиоэфира ту полосу, которая вам нужна.
Как мы видели, радиоволна — это, в сущности, колебание, и составляющие ее электрическое и магнитное поля чередуются в некотором ритме, качаясь, будто маятник часов. Чтобы настроить радиоприемник или передатчик, нужно добавить устройство, которое электрически колеблется в определенной частоте и не реагирует на другие, близко расположенные частоты. Для этого используется явление резонанса.
Его можно представить следующим образом. Ребенок на качелях качается туда-сюда с определенной частотой, как любой маятник. Если в нужный момент вы слегка подталкиваете его, ребенок взлетает все выше и выше. Но если толкать не в ритме качания, все ваши усилия пропадут втуне.
Сконструировать простейший колебательный контур, поддерживающий заданную частоту, поможет восхитительно изящная комбинация конденсатора и индукционной катушки-дросселя. Конденсатор изготавливается из двух металлических пластин, разделенных слоем изоляции. Любая подача напряжения гонит электроны в одну из пластин, пока там не образуется негативный заряд такой емкости, что дальнейшее наполнение невозможно. Конденсатор служит хранилищем электрического заряда и испускает его одним резким мощным импульсом, как, например, во вспышке фотоаппарата. Катушка-дроссель — это, в сущности, электромагнит, но она делает кое-что поинтереснее, чем просто притягивает металлические предметы. Если сопротивление препятствует прохождению тока вообще, то индуктивность препятствует флуктуациям в потоке электронов. Таким образом, пара «конденсатор — дроссель» служит надежным запасом электрической энергии: конденсатор в форме поля между его пластинами, а дроссель — в виде магнитного поля, окружающего катушку. Соедините эти два устройства в цепь, и эта простая кольцевая электрическая цепь как по волшебству оживет.
Когда насыщенная электронами пластина конденсатора отдает свой заряд, ток идет по цепи и через индукционную катушку, где создается магнитное поле, пока заряд на пластинах не сравняется. Тогда магнитное поле на катушке исчезает, но до тех пор линии убывающего поля, проходя сквозь катушку, вызывают в ней ток (эффект генератора) и, значит, закачивают электроны в другую пластину конденсатора — удивительно, схлопывающееся магнитное поле способно какое-то время поддержать тот же самый ток, которым оно и создано. К тому времени, кода поле в дросселе исчезнет совсем, вторая пластина конденсатора полностью зарядится и запустит ток в противоположном направлении, и он опять пройдет через катушку.
И так энергия течет то туда, то сюда между конденсатором и дросселем, то и дело переходя из электрического поля в магнитное и обратно, как мятник, совершающий тысячи колебаний в секунду — на частоте радиоволны.
Прелесть этого очаровательно несложного колебательного контура именно в том, что работает он исключительно на своей природной частоте, не сбиваясь ни на какие другие. Вы можете изменить эту частоту, то есть перенастроить свой передатчик или приемник, изменив характеристики одного из двух компонентов. Легче это проделать с конденсатором: вращая полукруглые металлические пластины относительно друг друга, можно регулировать площадь их пересечения, а значит, максимум собираемого заряда. Ручка настройки на старых приемниках чаще всего и была соединена с переменным конденсатором в колебательном контуре. Современные передатчики и приемники настраиваются с такой точностью, что радиоэфир в наши дни нарезан на тончайшие ломтики, будто окорок на гастрономическом прилавке, и поделен под тысячи разных нужд: коммерческое радио- и телевещание, GPS-навигация, переговоры экстренных служб, управление воздушным движением, сотовая связь, беспроводной интернет и Bluetooth, радиоуправляемые игрушки и т. д. Искровые передатчики сейчас и вовсе запрещены: их радиоизлучение плохо сфокусировано и рассеивается по широкому диапазону, так что они серьезно засоряют области соседних частот.
Конечно, для передачи звуковых сообщений необходимы еще такие компоненты, как микрофон, преобразующий звуковые колебания в кривые напряжения электроцепи передатчика, и наушники, транслирующие полученные электрические импульсы обратно в звук. Фактически микрофон и наушники — это одно и то же устройство. И там, и там есть мембрана, которая, вибрируя, создает звук или улавливает его, присоединенная к катушке, внутри которой находится магнит, так что в обоих устройствах наблюдаются те же явления электромагнетизма, которые лежат в основе электромотора и электрогенератора.
