Харкевич А.А. - Автоколебания (1107605), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Потерявшие энергию шарики будут, как выше говорилось, вываливаться через нижнее отверстие желоба. Взамен их в игру будут вступать все новые и новые шарики со свежими запасами энергии. При таких условиях мы получим незатухающие колебания. 138 8 25. однл мяхлничяскля модель В предыдущем предполагалось, что шарик пускается на желоб во вполне определенной — «благоприятной» вЂ” фазе, а именно, в тот момент, когда желоб опускается. Когда же шарик проходит наинизшее положение, желоб должен подниматься.
При этих условиях шарик отдает энергию, как мы видели раньше. Но представим себе, что шарик попадает на желоб в другой фазе, а именно, когда желоб поднимается. Тогда при проходе шарика через наинизшее положение желоб опустится, а в наивысшем положении шарика снова поднимется, и так далее. При таких фазных соотношениях мы не только не получим от шарика энергию, но, наоборот, должны будем совершать работу подъема шарика вместе с желобом.
Следовательно, если бы шарики сыпались на желоб беспорядочно и попадали бы на него в произвольной фазе, то они с одинаковой вероятностью могли бы оказаться в благоприятной и в неблагоприятной фазах. В среднем, энергия от них не отбиралась бы и колебания не могли бы поддерживаться. Но тут выясняется одно замечательное свойство рассматриваемой модели: она самостоятельно производит рассортировку шариков по фазе.
В самом деле, шарик неблагоприятной фазы, скатывающийся по большему наклону, т. е. при поднятом желобе, и вкатывающийся вверх по меньшему наклону, т. е. при опущенном желобе, сразу вылетает с желоба и выходит из игры. На желобе остаются только шарики благоприятной фазы. Система обладает, таким образом, фазовой избирательностью. Из сказанного следует, что поддерживать незатухающие колебания можно посредством беспорядочно сыплющихся шариков; система сама рассортирует их по фазам, выбросит шарики неблагоприятной фазы и использует энергию шариков благоприятной фазы. Устройство, представленное на рис.
1 44, является параметрической, но не автоколебательной системой. Соотношение частот должно быть заранее подобрано. Система была бы автоколебательной, если бы посредством какой-либо обратной связи движение шарика само управляло наклоном или, наоборот, колебательное движение желоба управляло движением шарика. $26. электвонныв гвнввхтоеы свввхвысоких частот 139 ф 26. ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ~з)) Описанная в предыдущем параграфе ьюдель часто приводится в качестве механической аналогии так называемого генератора с тормозящим полем, или генератора с положительной сеткой, при помощи которого можно получить электрические колебания весьма высокой частоты (до диапазона дециметровых волн).
Аналогия действительно существует, как мы сейчас убедимся. Польза подобных аналогий часто оспаривается, но 1б' 1 мы оставим эту методическую дискуссию в стороне, так как 1 и электронное устройство и механическая модель представляют для нас самостоятельный интерес в качестве примеров параметрических систем. Выло обнаружено, что в Ч ! 1 1 обычном триоде могут возбуж- Рис. 145. даться при определенном режиме электрические колебания весьма высокой частоты. Период этих колебаний (так называемые колебания Баркгаузена-Курца) связан с временем пролета электронов в пространстве между электродами лампы. Схема включения триода показана на рис. 145, Анод и катод соединены вместе.
Сетка имеет относительно катода высокий положительный потенциал, Кроме того, имеется еще и переменная разность потенциалов, развиваемая на контуре в цепи сетки. Диаграмма распределения потенциала в пространстве между электродами показана в нижней части рис. 145, где сплошной линией обозначено распределение потенциала, создаваемое батареей, пунктирными линиями — распределение потенциала при наложении переменной составляющей напряжения. Следует заметить, что как в рассматриваемом случае, так и ниже наименования электродов имеют условный смысл: например, на рис. 145 анодом, т. е. электродом, 140 э 26. ВлектРОнные ГенеРАтОРы сВеРхВысОких чАстОт имеющим положительный потенциал относительно катода, является, в сущности, сетка.
Предположим для начала, что переменная разность потенциалов отсутствует. Тогда вышедший из катода электрон попадает в ускоряющее поле в пространстве катод — сетка (д' и С на рис. 145). Пройдя сетку, электрон попадает в поле обратного направления в пространстве сетка — анод (С и А на рис. 145). Это поле оказывает на электрон тормозящее действие; электрон теряет скорость и возвращается с ускорением к сетке. Не долетев до катода, он снова поворачивает назад, и так далее. Таким образом, электрон может совершать колебательное движение между катодом и анодом, Если электрон при этом отдает свою энергию путем наведения тока во внешней цепи триода, то размах его колебаний уменьшается, пока он не попадет на сетку.
На этом его индивидуальная история заканчивается; он выходит из игры. Посмотрим теперь, что будет происходить, если на сетке имеется переменное напряжение, период которого равен времени пролета электрона от катода до анода. Рассмотрим прн этом два различных случая. Сл у ч а й 1. Электрон выходит из катода в такой момент, что на протяжении пути электрона к сетке поле, создаваемое переменной разностью потенциалов, тормозит электрон или, иначе говоря, на время пробега электроном пути катод— сетка приходится отрицательный полупериод напряжения на сетке (минус на сетке относительно катода). После же проле~а электроном сетки наступает положительный полупериод переменного напряжения на сетке, в результате чего возникает дополнительное поле, опять-таки тормозящее электрон.
Двигаясь В тормозящем поле, электрон совершает работу за счет собственного запаса энергии. Эта работа идет на создание наведенного тока во ннешней цепи. Размах колебаний электрона с каждым пролетом убывает, и в конце кочцов он попадает на сетку. Описанные явления предстаьляют собой историю злектрона, вышедшего из катода в б л а г о п р н я гной фазе. Случай 2. Электрон выходит из катода в такой момент, когда на протяжении его пути между катодом и сеткой действует положительный полупериод переменного напряже- й 26. элактгонныа ганвяатогы свагхвысоких частот 141 ния на сетке. Когда же электрон попадает в пространство сетка — анод, наступает отрицательный полупериод переменного напряжения на сетке, действие которого уменьшает тормозящий эффект основного поля, т. е. опять-таки ускоряет электрон. В результате электрон, сохраняя некоторую скорость, попадает на анод и, таким образом, сразу выходит из игры.
Его кинетическая энергия выделяется в виде тепла. Описанные явления относятся к электрону, вышедшему из катода в неблагоприятной фазе. Фаза зта неблагоприятна в том смысле, что энергия не только не отбирается от электро- л' б" ,р на, но, напротив, затрачивается на его ускорение. Как видим, в схеме происхо! ь дит автоматический отбор влек- к, к тронов благоприятной фазы и воз- и можно возбуждение колебаний за счет энергии электронов, выходящих из катода непрерывно в совершенно произвольные моменты ~7 времени.
Для наглядности различие в 7 поведении электронов представлено на рис. 146 графиками зависимости скорости от положения Рнс. 146. электрона. В верхней части рисунка представлено распределение потенциала (то же, что и на рис. 145). В нижней части линия l изображает движение электрона благоприятной фазы, линия 2 в неблагоприятной, линия 3 относится к случаю, когда на сетке нет переменного напряжения. Все описанные явления аналогичны механическим явлениям в модели, рассмотренной в предыдущем параграфе. Аналогия основана на том, что движение тяжелого шарика по наклонной плоскости совершается по тому же закону, что и движение злектрона в электрическом поле. Наклон соответствует напряженности электрического поля. Но наклон есть градиент высоты, а напряженность поля — градиент потенциала.
Отсюда сразу следует простой рецепт построения механических моделей, изображающих движение электронов: нужно, чтобы 11 А, А. Хармевим 142 ф 26. элвктгонныв геняглтогы свкгхвысоких частот профиль лотка, по которому скатываются шарики, воспроизводил диаграмму распределения потенциала в пространстве, где движутся электроны. Сравнивая рис. 145 и рис. 142, мы видим, что это правило в данном случае соблюдено. Мы еще воспользуемся этими соображениями. Обратимся теперь к сравнительно новому типу генератора сверхвысоких частот — к так называемому клистрону. Его действие основано на ином принципе, а именно, на модуляции электронов по скорости, в результате чего получается электронный поток, модулированный по плотности.
Рассмотрим подробно этот интересный механизм. Пусть поток электронов, вышедших из катода К, ускоряется сеткой С, и проходит через две параллельные сетки, Са и Сз, между которыми прило'-) — )-1 *- 1--- циалов (рис. 147). Все электроб'1 т.':. т.'1 ны входЯт в пРостРанство Са — Сз с одинаковой скоростью. Но в этом пространстве они ускоряются либо замедляются в зави- 1 симости от мгновенного значения 1 ч поля между Са и Са. Таким образом, электроны выходят через Са уже с различными скоростями, причем чередование более быстрых и более медленных электронов происходит периодически в соответствии с изменениями напряжения между С, и С . При дальнейшем движении электронов более быстрые догоняют более медленные. В результате этого в электронном потоке образуются с густ к и, т.
е. области с большей плотностью электронов. Процесс образования сгустков называют группированием, комбинацию сеток Са и Са — группирователем, а пространство, в котором сформировываются сгустки, называют пространством группирования или пространством дрейфа. Процесс группирования поясняется рис. 148. На этом графике представлены пути электронов, выходящих из катода через равные промежутки времени йг. Ускоренные сеткой С, электроны подходят к группирователю Сз — С,также через равные интервалы. Здесь электроны получают различное ускорение в зависимости от поля в группирователе, изменения которого представлены синусоидой в ниж- й 26. элактгонныв гвниеатоеы овягхвысоких частот 143 ней части рисунка. После пробега пространства группирования образуются сгустки электронов, ясно вилные в верхней части ф Ф~ ~ь 4-~Г Рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
