Техника - молодёжи 1982-10, страница 38

Угцр&хыу^^ ^r- (5)

. ___ ^ lr _(1l

^Ln wVWZHTTr ЙУ — J" -ЯГ/Ч.К

U< u„ U_z

V

образуется поверхностью Земли, a внешняя — нижней границей ионосферы (р и с. 4). Изучение этого волновода началось в 1952 году со статьи В. О. Шумана, в которой на основе уравнения Максвелла была выведена формула собственных частот глобального волновода. Первые пять из них: 10,6; 18,3; 25,9; 33,5 и 41,1 Гц. Теория Шумана подтвердилась экспериментами Бальсера и Вагнера в 1960 году. Для случая идеально проводящих стенок резонатора спектр Шумана совпадает с собственными частотами сферы без потерь, по формуле (5). Совпадение здесь не случайно. Действительно, в идеальном волноводе «Земля — ионосфера» собственные частоты обусловливаются только размерами внутренней границы," которая, в свою очередь, является также поверхностью сферического токопро-вода.

Картину стоячих волн на земном шаре от электрического возмущения можно нояснить на механическом аналоге. Представим, что сфера больших размеров равномерно покрыта слоем идеальной жидкости, в которой не теряется энергия волн. Тогда погруженный в нее точечный гармонический вибратор будет создавать волны, расходя щиеся от него концентрическими кругами. С удалением от полюса колебаний круги волн будут увеличиваться в окружности, пока не перейдут экватор, а затем начнут сужаться и сойдутся в противоположной точке (антииоде), где амплитуда их достигнет того же значения, что и в исходном полюсе колебаний. От антипода они будут продолжать путь дальше, но уже в обратном направлении (к источнику). От интерференции обратных волн с прямыми появятся стоячие волны по всей сфере. То же самое будет наблюдаться и от электрического вибратора (р и с. 3). Полюс возмущения и его антипод (где схо дятся волны тока и напряжения) условимся именовать электрическими полюсами сферы.

Остается выяснить, почему Тесла наблюдал картину стоячих волн в движении. Ведь до сих пор неиз-

Рис 3. Стоячие волны тока 4й гармоники па liiapr и возмущающий гармонический потенциал; I результирующий ток поперечного сечения; п - I, 2, •I индексы гармоник колебаний.

Г и с. 4. С ферический волновод «.{емля ион ос фера ».

Рис. 5. Шар с источниками, н_х. «_г чес кие ЭДС; х„. у„, z„ одного и.» электрических

W

"V

тремя однополюсными - и* гармони-координаты полюсов М° ;

волновое сопротивление единицы поверхности шара.

вестны случаи повторной регистра ции волнообразного изменения силы сигнала, принятого от грозы. Из-за конечной проводимости ионосферы в действительности, при экспериментальном исследовании волновода «Земля -— ионосфера», ре-зонансы проявляются только в виде ряда максимумов спектральной плотности у принимаемого электромагнитного шума.

В рамках популярной статьи можно привести лишь принцип, поясняющий это явление. Представим, к примеру, сразу три источника возмущения, расположенных на оболочке в местах пересечения с ней центральной системы координат (р и с. 5). Для упрощения рассматриваем возмущения только первой собственной частоты в соответствии с формулой (6). Потенциал от этих возмущений в любой точке поверхности определяется простым суммированием их влияния (7). Удельный ток у той же точки составляется токами, создаваемыми в отдельности каждым из возмущающих источников (8). При сложении этих токов учитывается их различная пространственная ориентация. Нахождение максимумов и минимумов показывает, что узлы результирующего тока на сфере совпадают с пучностями напряжений, и наоборот. Координаты электрических полюсов в этом случае дает формула (9). Как видим, электрические полюса перемещаются по поверхности в зависимости от соотношения величин возмущений, даже если источники остаются на своем месте. Такое смещение оси полюсов сочетается с перемещением по оболочке всей структуры стоячих волн. Во время грозы очаги возмущений образовывались в разных местах от разряда молний. В процессе их уга сания и появления новых менялось соотношение их потенциалов, что вызывало перемещение стоячих волн, которое и регистрировал Тесла. Чтобы повторно обнаружить эти волны, нужно пользоваться приборами Теслы.

Антенны не отмечают их из-за отсутствия у стоячих волн тока электромагнитного излучения. Ведь стоячая волна составляется из двух одинаковых встречных волн тока, электромагнитные поля которых взаимоуничтожа ются.

Средний грозовой разряд выде ляет энергию 2ХЮ⁹ Вт - с, а усе-редненная численность вертикальных разрядов на земном шаре составляет в секунду от 30 до 100. Мы видим, что эта энергия колоссальна. Поэтому закономерен вопрос: если часть ее передается стоячим волнам, то куда же девается она в конечном итоге?

Оценить добротность земного ша ра как резонансного токопровода

М.

Ift=£(u_xx+1и,И+и_яг) ст)

шнии>-мгв стоачихвож НАПРЯЖЕНИИ

"Л

а

U_z(nOR)