Задавались ли вы когда-нибудь мыслью: «А что будет, если шатать электроны!?» Согласен, не самая банальная мысль... :-D, И приходит таковая далеко не в каждый понедельник и даже, прошу прощения, не во вторник!
Тем не менее, если подумать, то из этого можно извлечь много пользы, и, мало того, создать устройство, которого, похоже, до этого не было!
Мысль о таком устройстве мне пришла тут на днях совершенно случайно, когда я размышлял о другом устройстве из области высокой физики — лазере на свободных электронах, использующем «ондулятор» — систему отклонения электронного луча.
В результате размышлений меня тут осенило, что на базе этого принципа можно кардинально упростить радиопередатчики!
Зачем это нужно: обычно, насколько мне известно, область радиопередачи является своеобразным «чёрным ящиком», куда многие боятся заходить из-за неминуемых сложностей — как самих процессов, так и (в большей степени) необходимости относительно сложных устройств, чтобы манипулировать радиопередачей: антенны, передатчики, приёмники и сложные компоненты в них…
Таким образом, любой, кто хотел бы экспериментировать в области радиодела, сталкивается с невероятным ворохом проблем (при желании построить такую систему самостоятельно, без покупных готовых узлов) — ввиду чего, вынужденно, ограничивается только покупкой какого-либо очередного приёмопередающего узла и «топтанием на пороге» этого вопроса…
А теперь представим, что этот вопрос можно было бы просто кардинально упростить, сведя его фактически к вопросу написания кода для генерации нужной частоты?! О_о
А само устройство для передачи/приёма стало бы настолько банальным по конструкции, что могло бы быть собрано любым самодельщиком, даже начального уровня?!
Какие плюсы это даёт: открывает путь к радиопередаче на разных частотах энтузиастам любого уровня, предоставляя им простой и наглядный инструмент с очень низким порогом входа в тему!
Итак, посмотрим, о чём тут речь…
До начала рассказа хотел бы сказать, что я не ставил себе целью абсолютно корректно и на уровне учебника описать наблюдаемые процессы, и, в большей степени, описал их так, как понимаю их я сам.
Таким образом, если у вас будет желание где-то в чём-то меня поправить, то я буду только рад, так как это улучшит общее понимание достаточно сложных процессов, о которых мы будем говорить…
Насколько известно, имеется достаточно широкий электромагнитный диапазон длин волн (и их частот, соответственно), где ряд из них мы можем наблюдать своими глазами (видимый спектр), а ряд из них — не можем (например, рентгеновское излучение) — что, впрочем, не делает последние некоей «загадочной сущностью» — это всё те же самые электромагнитные колебания, только с длиной волны, на непосредственное наблюдение которой наше зрение не предназначено (что не исключает возможности их наблюдения с помощью специальных технических средств).
Длина волны и частота — величины взаимосвязанные: чем более коротка длина волны, тем выше и частота (как, впрочем, верно и обратное) — и для лучшего понимания этого можно посмотреть на картинку ниже и умозрительно порастягивать/посплющивать синусоиду по горизонтальной оси X: в первом случае, частота колебаний на единицу времени будет уменьшаться, а во втором случае, соответственно, расти:
Длина волны непосредственно связана с энергией: в общем случае можно сказать, что чем более коротка длина волны, тем большей энергетикой она обладает: скажем, если мы возьмём, например, инфракрасное излучение с длиной волны в 10 мкм и сравним его с рентгеновским излучением с длиной волны в 0,1 нм — то, даже не вдаваясь в сложные рассуждения с расчётами и зная на практике влияние рентгеновского излучения, легко увидеть этот закон — так как рентгеновское излучение повреждает, например, ткани организма, а инфракрасное излучение только несколько нагревает — разумеется, мы здесь говорим о «разрушительном воздействии» только одного фотона: инфракрасного и рентгеновского соответственно, а не о количестве таких фотонов, так как иначе можно было бы возразить, что «ну как же, вообще-то, на инфракрасном излучении мы еду готовим!…» :-)
Таким образом, я бы тут даже утрированно сказал (опять же, не вдаваясь в подробности, так как это не нужно для нашего рассмотрения), что чем большая энергетика «вкачана» в создание электромагнитного излучения (способом и методами, чтобы получить изменяющуюся от величины приложенной энергии частоту) — тем большую частоту можно получить.
Я бы даже это сравнил с автомобилями, едущими на скорости в 20 км/ч и 100 км/ч — при соударении последнего с неподвижной преградой последствия, очевидно, будут существенно более внушительными, так как, изначально, в создание разгона (т. е. «частоты» в нашем случае) была вкачана разная энергия.
Что ещё из интересного нам надо знать, чтобы в полной мере постараться осознать сказанное далее: насколько известно, электрический ток не является «движением электронов» в полной мере внутри проводника — а, скорее, является «передачей волны толчков — от соседа к соседу»: например, если мы посмотрим хотя бы даже вот здесь, то узнаем, что сила тока в 1А на 1 мм² вызывает движение электронов (называется «дрейф электронов») со всего лишь ничтожной скоростью в 1 мм/сек, тогда как скорость распространения «волны толчков», да, весьма велика и приближается к скорости света.
Итак, после рассмотрения основных фактов, посмотрим ближе на аппаратную часть…
Некоторое время назад мы рассматривали довольно удивительную вещь — «лазер на свободных электронах», картинку которого стоит привести даже здесь:
И именно размышление над этим устройством меня и подтолкнуло ко всем дальнейшим идеям!
Вкратце о том, что изображено на картинке выше: учёные обнаружили, что если частицу, обладающую зарядом и летящую на скоростях, близких к скорости света, начать «шатать» из стороны в сторону — то она начнёт испускать электромагнитное излучение — и, в зависимости от того, с какой частотой её «шатать» — можно получить излучение разных длин волн!
Как можно видеть на картинке, в этом конкретном случае учёные использовали вакуумированный канал, внутри которого пустили поток электронов, который искусственно стали «шатать» с помощью электромагнитов, установленных вдоль канала.
Таким образом, на выходе получили лазер удивительного свойства: в отличие от обычных лазерных установок, в нём совершенно нет никакого источника света — а свет (то есть электромагнитные колебания) излучают электроны, раскачивающиеся в полёте!
Таким образом, произвольно изменяя количество электромагнитов на пути потока электронов для раскачивания их с разной частотой — можно получить электромагнитное излучение разных длин волн! О_о
Хотите ультрафиолетовый лазер? Пожалуйста! Хотите инфракрасный лазер? Запросто!... И причём, без какого-либо источника света!
Размышляя над этим устройством, меня всё никак не отпускала идея, что да, это всё, конечно, интересно, но слишком сложным получается аппарат!
И было бы хорошо, если бы сделать его максимально простым — так как одно только вакуумирование канала чего стоит по сложности…
И тут меня осенило: ионизация — вот что нас спасёт! :-)
— Есть довольно известный школьный эксперимент, где берут и заряжают лейденскую банку, после чего подключают её к электрометру, предварительно отведя от банки два провода-отвода и расположив их на небольшом расстоянии. Электрометр получает заряд от лейденской банки, его стрелка отклоняется от вертикали.
Теперь, если между отводами внести обычную зажжённую свечу, то стрелка электрометра начинает постепенно опускаться — таким образом, этот эксперимент показывает, что обычное пламя свечи является своего рода ионизированной низкотемпературной плазмой, пропускающей электрический ток.
Ионизация подразумевает, что в пламени содержится некоторое количество свободных электронов, которыми можно манипулировать!
А теперь представим, что вокруг пламени мы устанавливаем катушку, через которую импульсно пропускаем электрический ток — в итоге электромагнитное поле в центре катушки будет воздействовать на пламя, периодически образуя как бы зоны сжатия (в момент включения тока) и разрежения (в момент выключения тока) в среде свободных электронов:
Другими словами, таким немудрящим образом мы получаем электромагнитное «шатание» (или «модуляцию») электронов в пламени свечи, что будет являться чем? Верно — источником электромагнитного излучения, например, радиоволн!
Таким образом, в теории, можно создать очень интересный и наглядный радиоизлучатель, где излучать радиоволны будет само пламя свечи!
На мой взгляд, это был бы очень интересный эксперимент, например, школьного толка!
Причём, помимо собственно излучения радиоволн, эта штука и в процессе должна выглядеть ещё довольно красиво: своего рода, это будет как звуковая «труба Рубенса» — только для радиоволн: как показано в видео ниже, такая труба в оригинале позволяет наглядно наблюдать форму и местоположение звуковых волн, в то время как, в нашем случае, наверняка, можно будет наглядно видеть, как пламя сжимается и расширяется в такт модулирующему электромагнитному полю катушки:
Тем не менее, если даже это и хорошо в наглядных целях, то использование пламени в практических целях — не совсем удобно!
И, размышляя над всем этим, с учётом вышесказанного насчёт природы электрического тока (что это распространение волны колебаний в проводнике) — меня тут осенило во второй раз: да это ж… КНУТ ПАСТУХА!!! О_о
А именно: абсолютно так же, как пастух взмахивает твёрдой рукояткой, удерживаемой в руке, после чего по гибкой части кнута распространяется быстро бегущая волна — точно так же мы можем дать с одного конца проводника некий «толчок» с помощью электрогенератора или любого иного способа, что запустит по проводу точно такую же волну:
А как нам дать такой толчок по проводнику? Да точно таким же способом, как мы видели на примере выше с модулированием пламени: надеть на конец провода катушку!!!
И тогда мы получаем поразительно простое устройство: никаких колебательных контуров из конденсатора и катушки индуктивности — соответственно, не нужно заниматься их подбором, что многократно упрощает конструкцию!
То есть:
Отрезаем кусок медного провода нужной длины на ту частоту (т. е. длину волны), на которой мы хотели бы передавать.
Надеваем на конец провода накачивающую катушку, которая будет импульсно создавать электромагнитное поле, «толкающее» электроны внутри медного провода и, соответственно, запускающее по нему волну.
Катушку запитываем от мощного источника тока, через транзистор в режиме ключа.
В качестве генератора (управляющего транзистором) используем любой микроконтроллер, например, Arduino, ESP32!
В итоге получаем своеобразный электромагнитный «кнут», который выглядеть будет примерно как-то так:
По большому счёту, на этом всё! :-)
В качестве забавного замечания: а ведь, катушка в этой конструкции — суть не что иное, как ондулятор, как в рассматривавшемся в начале статьи лазере на свободных электронах, а провод, на который надета катушка — твердотельная среда для раскачки электронов! ;-)
Итого, несмотря на банальный вид, это как бы проникновение высокой физики — в реальную жизнь! ;-)
Как мы видим на картинке выше, для достижения резонанса с целью более высокой эффективности передачи, на медный провод дополнительно можно надеть маленькую катушечку с диодом для выпрямления переменного тока (так как волновые колебания будут порождать переменный ток, а нам нужно на пин микроконтроллера подавать положительную полярность), откуда далее через мощный резистор (а может, даже понижающую какую-то систему типа делителя напряжения) подключить к аналоговому пину микроконтроллера — таким образом можно производить автоматический анализ и подстройку под резонанс с целью достичь наибольшей амплитуды волны, то есть наибольшего показателя аналогового сигнала! О_о
Кроме этого, наверное, на катушку надо будет поставить диод (как я это понимаю), так как, в моменты выключения питания, катушка будет являться генератором реактивного электрического тока, что, возможно, может иметь не слишком хорошие последствия для транзистора (проще говоря, может сжечь его).
То есть в сухом остатке что мы получаем: максимально простая система, состоящая, грубо говоря, из трёх деталей (не считая простецкий обвес): кусок медного провода, катушка, микроконтроллер!
И эта система (в теории) позволяет генерировать широкий диапазон электромагнитного излучения, например, той же самой радиочастоты:
Прикинули, на какой частоте хотим передавать.
Прикинули, с какой скоростью микроконтроллер может выдавать импульсы (какую, другими словами, частоту следования импульсов тянет физически).
Отрезали кусок медного провода нужной длины, предварительно вычислив по формуле для данной частоты, какой длины кусок провода должен быть.
Написали простой код.
Накачиваем катушку импульсами ШИМ-сигнала.
Профит! :-)
Скорее всего, придётся поставить ещё какой-то фильтр перед катушкой, чтобы не генерить широкополосный радиошум, т. к. есть подозрения, что прямоугольный сигнал микроконтроллера даст много гармоник.
Беглый поиск по интернету показал (могу ошибаться), что, похоже, ничего подобного не существует (с наличием всех признаков):
Отсутствие классического колебательного контура.
Программная подстройка частоты, в том числе автоматическая, на резонанс.
Индукционная накачка антенны.
Таким образом, это устройство, на мой взгляд, сильно роняет порог входа в радиодело (хотя бы, если и не для чего-то серьёзного, то для хобби-уровня), фактически сводя занятие радиопередачей — к подбору нужного куска провода и программированию, на корню убирая все трудности по созданию передающих и приёмных схем — как минимум, для экспериментов на досуге!
В частности, на мой взгляд, это могло бы быть хорошим учебным пособием, например, для тех же школьников, чтобы наглядно видеть, как можно генерировать радиопередачу на разных частотах, одновременно удобно наблюдая всё на экране и используя для этого практически исключительно программный код, что было бы, на мой взгляд, весьма наглядным способом для освоения очень привлекательной сферы радиодела без погружения в сложные радиодетали и схемы!
Как я уже выше сказал, ничего подобного (с полным соответствием признаков) мне найти не удалось, за единственным прообразом подобного — одним давним экспериментом, в частности, по надеванию подобной катушки-индуктора на основание струи морской воды, бьющей из трубки, где колебания тока в катушке модулировались обычной ручной рацией — это позволило передавать радиосигнал на значительные расстояния, а сама струя морской воды выступала в качестве антенны-проводника за счёт большого количества растворённых солей:
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
