Звуки окружают нас всюду. И всегда источником звуков служит колеблющееся тело. Например, мы ударяем по струне гитары — тотчас раздается звук. Приложив палец к струне, можно ощутить, что она движется — колеблется. Струна гитары звучит сначала громко, а затем все тише и тише, пока совсем не затихнет. Как только струна остановится, исчезнет звук.
Но почему колебания тела порождают звук?
Всякое звучащее тело не только само колеблется, но и передает колебания прилегающим к нему частицам окружающей среды, воздуха. Колебания воздуха достигают барабанной перепонки нашего уха и заставляют ее также колебаться. Колебания барабанной перепонки передаются во внутреннее ухо и вызывают в слуховом нерве раздражение, которое мы воспринимаем как звук.
Не всякие колебания воздуха слышны. Наше ухо улавливает только такие звуки, которые имеют частоту колебаний не менее 16 и не более 20 000 в секунду.
Для передачи звука на расстояние нужно очень небольшое количество энергии. Эта энергия и приводит в быстрое колебательное движение частицы воздуха на всем протяжении, где слышен звук.
Распространяясь с одинаковой силой во все стороны, звук затухает гораздо быстрее, чем увеличивается расстояние от его источника. С увеличением расстояния в два раза сила звука уменьшается в четыре раза; при увеличении расстояния в пять раз звук ослабевает уже в 25 раз. Иными словами, громкость звука уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука.
Непосредственная передача звука по воздуху возможна на очень небольших расстояниях. Громкая человеческая речь слышна на расстоянии, равном приблизительно 100 метрам, и даже крик можно услышать на открытом воздухе на расстоянии не более 200 метров. При переговорах на сравнительно большом расстоянии, например между встречными пароходами, иногда применяют рупоры, так как при помощи рупора звуковые волны посылаются направленным пучком.
В некоторых случаях разговорную речь по длинным звукопроводам можно слышать на расстоянии до одного километра. Такой телефон из труб можно и сейчас встретить на некоторых старых пароходах. Им пользуются для передачи распоряжений в машинное отделение. Слова команды, передаваемые с капитанского мостика, отчетливо слышны в машинном отделении. Но представим себе, что ученым удалось найти способы посылать неослабевающие звуковые волны на расстояние в десятки и сотни километров. Можно ли, используя этот способ, разговаривать, например, из Москвы с Ленинградом?
Нет. Это было бы очень неудобно. Звуковая волна распространяется в воздухе очень медленно, всего со скоростью около 330 метров в секунду. Слово, произнесенное в Москве, будет услышано в Ленинграде только через 35 минут. В течение шестичасового разговора едва удалось бы обменяться десятью фразами. Ответа на вопрос пришлось бы ждать больше часа.
Таким образом, не только быстрое затухание звука, но и малая скорость его распространения не позволяют нам передавать нашу речь по воздуху на большое расстояние.
Передача звуков на большие расстояния стала возможна лишь после того, как был открыт способ превращения электрической энергии в звуковую и наоборот.
Магнит и его свойства
Уже в глубокой древности были известны необыкновенные свойства магнита. Но долгое время человек знал только естественные магниты — куски железной руды (магнитного железняка). Затем обнаружили, что если таким магнитом натереть какой-либо стальной предмет, например нож, то ор также начинает притягивать к себе железные тела, т. е. сам становится магнитом. Такие искусственные магниты теперь можно увидеть в самых разнообразных приборах.
В прошлом веке было сделано новое, очень важной открытие: оказалось, что магнитные свойства железа тесно связаны с его электрическими свойствами. Это можно доказать на таком простом опыте. Если постоянный электрический ток пропустить по проволоке, то она начинает притягивать к себе железные опилки, становится магнитом. Прекращается ток — и проволока теряет свои магнитные свойства.
После этого открытия был создан электромагнит. Его легко сделать. Возьмите немного изолированного провода, намотайте его на катушку. Внутри катушки поместите какой-нибудь стержень из мягкого железа. Если теперь от какого-либо источника тока, например от электрической батареи карманного фонаря, пропустить по обмотке ток, то железный стержень намагнитится и будет, как показано на рис. 13, притягивать железные предметы — ключ, гвоздь.
Рис. 13. Намагничивание железного стержня при включении тока в обмотку катушки.
Стоит выключить ток — и железный стержень тут же потеряет свои магнитные свойства: притянутые им предметы падают вниз.
Было установлено, что в зависимости от содержания в стали того или иного количества углерода она хорошо или плохо сохраняет свои магнитные свойства. Чем больше в стали углерода, тем лучше сохраняются магнитные свойства. Гвозди и многие другие предметы делаются из мягкой стали, в которой имеется только ничтожное количество углерода. Такая сталь не сохраняет магнитных свойств; в быту она часто называется железом. Специальные сорта стали, с примесью кобальта, хрома, никеля, позволяют изготовлять магниты очень большой силы.
Свойство стали намагничиваться широко используется в генераторах — машинах, вырабатывающих ток, в электродвигателях, в аппаратах телеграфной и телефонной связи и в электроизмерительных приборах.
А не существует ли обратной связи между электричеством и магнетизмом? Не вызовет ли магнит, помещенный внутри проволочной катушки, электрический ток в ее обмотке? Оказывается, электрический ток в обмотке катушки действительно появляется, но лишь тогда, когда магнит движется, например если магнит вставляется или вынимается из катушки.
Электрический ток появляется в обмотке катушки и в том случае, когда магнит неподвижен, а к нему приближают или удаляют от него какой-либо стальной предмет, изменяя тем самым силу магнитного поля. Это наглядно можно показать, если проделать такой несложный опыт (рис. 14).
Рис. 14. Возникновение электрического тока в обмотке катушки при приближении (или удалении) стального диска к магниту.
На стальной сердечник, представляющий собой постоянный магнит, наденем катушку с обмоткой из тонкого изолированного провода. Быстро приближая к сердечнику (или удаляя от него) какой-либо стальной предмет, например стальной диск, увидим, что стрелка гальванометра на мгновение отклонится, т. е. в обмотке катушки появится электрический ток.
Эти свойства магнита и были использованы при устройстве электромагнитного телефона.
Первый электромагнитный телефон
Магнит с надетой на него катушкой, на которой нанесена обмотка из изолированного провода, поместили в полую деревянную трубку. Один конец трубки закрыли тонкой стальной пластинкой — мембраной, которая оказалась около одного из полюсов магнита. Получился электромагнитный телефон, или, как называют упрощенно, телефонная трубка. При помощи двух таких трубок оказалось возможным устроить одностороннюю телефонную связь, как это показано на рис. 15.
Рис. 15. Односторонняя передача разговорной речи при помощи двух телефонных трубок.
Один из собеседников (слева на рисунке) говорит в тот конец трубки, который закрыт мембраной. Звуковые волны приводят мембрану в быстрое колебательное движение. Мембрана то удаляется, то приближается к магниту. От этого в обмотке катушки возникает электрический ток, который передается по проводам линии связи. Второй собеседник, который слушает передачу, держит свою телефонную трубку около уха. Электрический ток, проходя по обмотке этой трубки, то усиливает, то ослабляет притяжение мембраны к магниту. В результате мембрана во второй трубке начинает колебаться в такт с первой мембраной, повторяя все ее движения.
Эти колебания мембраны создают звуковые волны, и второй собеседник услышит сказанное первым собеседником на другом конце линии связи.
Создание микрофона
Первый электромагнитный телефон был несовершенен. Этот аппарат позволял вести разговор только на расстоянии до двух километров. Чем больше было расстояние между говорящими, тем громче приходилось кричать в трубку. Причина заключалась в том, что мембрана электромагнитного телефона лишь незначительную часть звуковой энергии превращала в электрическую.
Как же улучшить действие телефона? Ученые отказались от способа передачи речи при помощи только телефонных трубок. Был изобретен новый способ превращения звуковых колебаний в электрические.
При опытах по измерению электрической проводимости различных тел было обнаружено одно интересное явление. Оказалось, что если поперек двух палочек из прессованного угля положить третью палочку, то получится очень чувствительное устройство, которое может преобразовывать в электрический ток самые ничтожные воздушные колебания.
Соединим угольные палочки проводами с полюсами электрической батареи, как это показано на рис. 16.
Рис. 16. Применение микрофона для передачи разговорной речи.
В один из проводов, идущих от батареи, включим телефонную трубку. Ничего особенного при этом не произойдет, только в момент включения в трубке раздастся легкий щелчок. Но вот мы начинаем говорить, и тотчас же на другом конце провода раздаются звуки нашего голоса.
Что же происходит с угольными палочками при разговоре? Оказывается, в местах их соприкосновения электрическая проводимость резко меняется. Дело в том, что величина электрической проводимости между угольными палочками зависит от того, насколько плотно они прижимаются друг к другу. Чем сильнее прижата верхняя палочка к двум нижним, тем лучше контакт между ними. От этого уменьшается сопротивление электрическому току, проходящему через места соприкосновения палочек.
Как только сопротивление уменьшается, ток в телефонной трубке сразу же возрастает и ее мембрана сильнее притягивается к магниту.