Кстати, Фурье установил, что если сложный процесс периодически повторяется, то его спектр состоит из синусоидальных составляющих с кратными частотами. Музыканты называют их «обертоны», радисты используют название «гармоника», имея в виду известное название синусоиды «гармоническая зависимость». Если, например, частота сложного тока f = 50 Гц, то в его спектр, скорее всего, войдут составляющие (гармоники) с частотами f = 50 Гц, 2f = 100 Гц, 3f = 150 Гц, 4f = 200 Гц и так далее. Амплитуды гармоник могут быть самые разные, это зависит от сложного тока, но, как правило, с увеличением частоты гармоник их амплитуда убывает.
При хаотически меняющемся сложном токе и тем более при одиночных его всплесках появляется значительно больше гармоник, часто даже говорят о сплошном спектре. Это значит, что какую частоту ни пробуешь извлечь из спектра — она там есть. И ещё одна интересная подробность: если график сложного тока асимметричен относительно горизонтальной оси, если ток во время одного полупериода работает больше, чем во время второго, то в спектре этого тока появляется постоянная составляющая — определённой силы постоянный ток Io. Этот ток Io единственная несинусоидальная составляющая в спектре.
Т-146. Посторонние переменные токи могут создавать помехи и искажать информацию, которую переносят электрические сигналы. Забегая вперёд, сообщим то, что кое-кому уже известно. Переменный ток, с которым мы встречаемся чаще всего, то есть тот, что с электростанции по электрическим сетям приходит в наши дома, в заводские цеха и школьные классы, — это синусоидальный ток. По крайней мере, таким он был создан мощными генераторами на электростанции. Но иногда по пути синусоидальный характер этого тока искажается, и, следовательно, в его спектре появляются какие-то дополнительные составляющие.
Более того, в определённых случаях сетевой ток искажают преднамеренно, специально. Чаще всего это делают, когда из переменного напряжения нужно получить постоянное, например, для питания поездов метро или подмены батарейки в переносном приёмнике. Для этого в цепь переменного тока вводят электрический вентиль — элемент, который пропускает ток только в одну сторону.
В электрических сетях один из главных источников нежелательных посторонних токов — скользящие и некоторые иные контакты, особенно контакты, между которыми проскакивает искра. Кстати, искра не только результат какой-либо неисправности, в некоторых устройствах это ещё и нормальный, работающий процесс, как, например, в свече автомобильного или иного бензинового двигателя. С электрической искры начиналась вся радиотехника — искра, а затем и электрическая дуга долгое время были источниками высокочастотных токов, именно они, попав в передающую антенну, излучают радиоволны. А появляются в искре эти высокочастотные токи потому, что сам искровой ток беспорядочно меняется и в его спектре много гармоник самых разных частот.
Примерно то же самое происходит в цепи скользящего контакта, например, подающего напряжение на обмотку электродвигателя.
Идеальным такой контакт быть не может, при его скольжении контактное сопротивление хоть чуть-чуть, но меняется, вместе с ним хаотично меняется ток, порождая множество гармоник.
Как уже отмечалось, эффективно подавить ненужные переменные токи помогают электрические фильтры.
ВК-170.Основа полупроводникового диода — кремниевый или германиевый кристалл. Введением примесей, одна из которых добавляет электроны (примесь — донор), а другая отбирает их (примесь-акцептор), в кристалле создают две примыкающие друг другу зоны: зону р (от латинского positivus — «положительный») со свободными положительными зарядами по имени «дырки» (+) и зону n (от латинского negativus — «отрицательный») со свободными электронами (—). Граница между зонами называется рn-переход.
Р-66. РАБОТАЕТ ЧАСТОТА. Прежде всего отметим, что на этом рисунке имеется простейшая цепь (1) из конденсатора С, катушки индуктивности L и активного сопротивления R. Обычно такую цепь называют колебательный контур, или резонансный контур, или, наконец, просто контур. Первые два названия будут вскоре пояснены (Р-73), а третьим мы будем пока пользоваться без всяких пояснений.
Основа рисунка — большой график (2), показывающий, как с изменением частоты f (горизонтальная ось) меняются различные характеристики нашего LCR — контура (вертикальная ось). Для начала, вспомнив знакомый рисунок (Р-64.3, Р-64.5), отметим, что с ростом частоты f увеличивается индуктивное сопротивление XL в контуре и уменьшается ёмкостное Хс. Затем, тоже вспомнив знакомый рисунок (Р-59.3, Р-59.6), отметим, что эти сопротивления действуют друг против друга, так как напряжение на катушке опережает ток на 90°, а на конденсаторе отстаёт от тока на 90°, то есть эти напряжения сдвинуты на 180° (3). На сравнительно низких частотах, когда Хс больше, чем XL, напряжение на конденсаторе Uc больше, чем UL на катушке, ток во всей цепи одинаковый и напряжение генератора делится пропорционально сопротивлениям, какое из них больше, тому и напряжение достаётся побольше. На сравнительно высоких частотах, когда XL больше, чем Хс, напряжение UL оказывается больше, чем Uc.
Нечто особое происходит на частоте, которую обозначают fрез, или f0, и называют резонансная частота. На этой частоте сопротивления XL и Хс оказываются одинаковыми, они полностью компенсируют друг друга (3), и общее сопротивление Z контура резко уменьшается до очень небольшой величины R. Никто обычно не включает в контур резисторы, и в R входит небольшое сопротивление провода, которым намотана катушка. Итак, на резонансной частоте резко возрастает ток в контуре и вместе с ним и напряжения UL и Uc на катушке и конденсаторе, также ставшие равными из-за равенства сопротивлений XL и Xс.
Т-147. С помощью конденсаторов и катушек можно создавать фильтры — электрические цепи, которые по-разному пропускают токи разных частот. Сопротивление реактивных элементов (конденсатора и катушки) зависит от частоты. Эта их особенность может оказаться весьма нежелательной в тех случаях, когда по цепи с конденсатором и катушкой идут переменные токи разных частот и нужно создать для всех этих токов равные условия. То есть когда нужно пропускать эти токи, никому не отдавая предпочтения — одинаково хорошо или одинаково плохо, но, главное, одинаково. Конденсатор или катушка, разумеется, не допустят такой одинаковости — по-разному сопротивляясь токам разных частот, конденсатор и катушка в разной степени будут ослаблять эти токи. Профессионалы об этом говорят так: конденсаторы и катушки — источники частотных искажений.
Но зато только реактивные элементы, только конденсаторы и катушки могут разделить токи разных частот, протекающие в общей цепи, или отделить постоянный ток от переменного. Здесь реактивные элементы просто незаменимы, только у них развито «чувство частоты», только конденсатор и катушка оказывают разное сопротивление токам разных частот.
Цепи, в которых происходит сортировка и разделение токов разных частот, называются фильтрами (Р-69). Обычно это не очень большие цепи, чаще всего они состоят из нескольких элементов, в числе которых, конечно, конденсатор или катушка или оба реактивных элемента одновременно. Схемы фильтров разнообразны, но в них всегда используются одни и те же принципы, которые можно хорошо увидеть на простейших примерах.
ВК-171. Если диод подключён к батарее так, что заряды идут к pn-переходу, то их «плюс» и «минус» как бы нейтрализуют друг друга, и в переход приходят всё новые и новые заряды — через диод и во всей цепи идёт ток. Если сменить полярность батареи, то заряды оттянутся от pn-перехода, сопротивление диода резко возрастёт и ток в цепи практически прекратится. А отсюда вывод: полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, он пропускает ток только в одну сторону.
Р-67. ВЕЛИКОЕ ДЕЛО СПРЯТАНО В МИКРОТАБЛИЦЕ. Мы так подробно говорим о синусоиде потому, что переменный ток, который производит электроэнергетика — это синусоидальный ток, он меняется 50 раз в секунду (это частота переменного тока, принятая в нашей стране и не только в ней; в США, Великобритании, Индии и других странах частота немного больше — 60 полных изменений в секунду). Причем ток в сети (э.д.с., напряжение) меняется точно так же, как меняется длина линии синуса (1) при вращении радиуса в круге. Тем, кто занимается переменным током, полезно иметь таблицу значений sin а для разных углов а. Упрощённый вариант такой таблицы (2) приведён на рисунке, для углов от 180 до 360 градусов, все значения sin а — отрицательные, так отмечается и то, что ток сменил направление.
Фильтры бывают параллельные и последовательные. В последовательных фильтрах реактивный элемент вместе с нагрузкой образует делитель напряжения, и чем больше сопротивление реактивного элемента (конденсатор, катушка), тем меньшая часть общего напряжения достаётся нагрузке. Поэтому в простом последовательном RC-фильтре с увеличением частоты напряжение на нагрузке растёт, а в RL-фильтре — падает. То есть последовательный ёмкостный фильтр ослабляет низкие частоты и пропускает высокие, а индуктивный — наоборот.
В параллельном RC-фильтре конденсатор шунтирует нагрузку тем сильнее, чем выше частота. То есть конденсатор фильтра отводит от нагрузки переменные токи более высоких частот. У параллельного RL-фильтра с ростом частоты индуктивное сопротивление катушки растёт, и она всё меньше шунтирует нагрузку. Иными словами, такой фильтр отводит от нагрузки токи сравнительно низких частот, и ей достаются в основном высокочастотные токи.